離心壓力和冷卻速度對(duì)AZ91鎂合金凝固組織的影響

李 偉，馬幼平，楊 蕾，張寶林，袁戰(zhàn)軍

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，西安 710055）

離心壓力和冷卻速度對(duì)AZ91鎂合金凝固組織的影響

李 偉，馬幼平，楊 蕾，張寶林，袁戰(zhàn)軍

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，西安 710055）

旨在優(yōu)化AZ91鎂合金凝固組織，通過(guò)OM和XRD設(shè)備研究了不同離心壓力和冷卻速度對(duì)AZ91鎂合金凝固組織演變的影響，結(jié)果表明，隨著離心壓力的增大，合金晶粒尺寸細(xì)化，第二相β（Mg12Al17）析出量減少，不保溫試樣，β相形態(tài)由粗大連續(xù)網(wǎng)狀向細(xì)小斷續(xù)狀轉(zhuǎn)變，保溫試樣，β相為粒狀彌散分布晶內(nèi)，壓力增大，顆粒數(shù)量減小，粒徑細(xì)化.同等凝固壓力下，增大冷速，一次β相析出量增多，二次β相析出量減少.XRD分析表明，增大離心壓力β相峰值略微減弱，α-Mg的晶格常數(shù)減小.

離心壓力；冷卻速度；AZ91鎂合金；凝固組織

鎂合金以其比重輕、高比強(qiáng)度和比鋼度、以及良好的電磁屏蔽性能和減震性能，廣泛應(yīng)用于航空航天，交通運(yùn)輸，3C產(chǎn)品等領(lǐng)域［1-3］.然而鎂合金結(jié)晶溫度范圍較寬，更傾向于發(fā)生體積凝固，合金液來(lái)不及補(bǔ)縮，凝固后易產(chǎn)生縮松縮孔及熱裂等缺陷，并且凝固后晶粒粗大，嚴(yán)重的惡化了其力學(xué)性能，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用［4］.

按照熱力學(xué)基本理論，溫度-壓力-成分是材料凝固控制中的三個(gè)基本參量，傳統(tǒng)鑄造主要凸顯溫度對(duì)材料凝固過(guò)程中的控制，而忽略了壓力的作用，隨著壓力設(shè)備及技術(shù)的改進(jìn)，及壓力下凝固機(jī)制的完善，壓力在凝固過(guò)程中的作用受到了材料科學(xué)研究者的廣泛關(guān)注.［5］然而人們?cè)谘芯坎牧夏炭刂七^(guò)程中總是單獨(dú)考慮溫度或是壓力對(duì)凝固組織演變的影響，很少將兩者結(jié)合起來(lái)探究其對(duì)凝固的共同影響.已有研究發(fā)現(xiàn)在壓力凝固下可以提高鎂合金的補(bǔ)縮能力同時(shí)細(xì)化晶粒［6-7］，提高冷卻速率可以在細(xì)化晶粒的同時(shí)影響第二相析出量及其形態(tài)分布［8-9］.本文研究了不同離心壓力和不同冷卻速率下AZ91鎂合金的凝固組織的演變，分析了壓力和冷速對(duì)第二相析出量及形態(tài)分布和晶粒尺寸變化的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

本研究合金成分如表1所列，原料鎂（99.98%）、鋁（99.6%）、鋅（99.9%）按配比在電阻爐中用石墨坩堝進(jìn)行熔煉，在氬氣氣氛的保護(hù)下，并采用RJ-2溶劑作為覆蓋劑防止合金的燒損.將合金加熱到700℃并保溫10 min，將其熔化裝入直徑為25 mm長(zhǎng)度為250 mm的不銹鋼模具中，待其冷卻后用鎢極氬弧焊封口.再將裝有合金的模具加熱至合金熔化，然后將其安裝在轉(zhuǎn)速為1 400 r/min的特殊裝置上進(jìn)行離心加壓凝固，并對(duì)模具采取是否添加石棉保溫套以改變其冷卻條件，制備出所需試樣.

表1 AZ91鎂合金化學(xué)成分

將裝有合金的不銹鋼模具沿徑相切開(kāi)，按半徑為20、70和120 mm制取3#、2#和1#試樣，其相對(duì)離心力（RCF）分別為：44、153和263 g.采用標(biāo)準(zhǔn)金相制備工藝制備金相試樣，用3%的草酸水溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，采用使用型號(hào)為GX-51 的OLYMPUS金相顯微鏡觀察試樣金相組織，采用BrukerXRD衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相分析.

2 結(jié)果及討論

2.1 試樣不同位置的顯微組織

圖1為保溫和不保溫試樣不同位置試樣組織形貌，通過(guò)ImageJ軟件分析，隨著離心壓力的增大，對(duì)于保溫試樣其平均晶粒尺寸分別為174、147 和80 μm，第二相析出量分別為10.22%、8.96%、4.26%；不保溫試樣其晶粒尺寸分別為86、79、和50 μm，第二相析出量分別為，34.48%、33.17%和30.2%.對(duì)于不保溫試樣，其第二相主要由沿晶界分布的一次β（Mg12Al17）相和晶粒內(nèi)部析出的彌散點(diǎn)狀二次β相組成，隨著壓力的增大，沿晶界分布的β相由粗大的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向斷續(xù)蠕蟲(chóng)狀形態(tài)轉(zhuǎn)變.而對(duì)于保溫試樣，主要為晶粒內(nèi)部析出的彌散點(diǎn)狀β相，并且隨著壓力增大，其點(diǎn)狀β相的數(shù)量和粒徑有減小趨勢(shì).對(duì)比不保溫試樣，保溫試樣其二次β相顆粒數(shù)量多而且粒徑較大.

圖1 保溫和不保溫試樣金相組織照片

2.1.1 第二相析出量及形態(tài)分布變化原因分析

對(duì)于AZ91鎂合金，其Al元素含量小于12.7%，在平衡凝固條件下不會(huì)產(chǎn)生沿晶界分布的一次β相，而在非平衡凝固條件下，隨著冷速增大，Al元素在固相中的擴(kuò)散受阻，實(shí)際溶于固相中的溶質(zhì)含量減少，從而將大量溶質(zhì)元素排到液相中，并且由于冷速增大在共晶溫度時(shí)會(huì)殘余少量液體，這樣便促使了一次β相的產(chǎn)生.并且在一定范圍內(nèi)隨著冷速的不斷增加，這種作用更加明顯，析出的一次β相不斷增多.當(dāng)冷速增大到一定程度，Al元素在液相中的擴(kuò)散也受到抑制，同時(shí)增大冷速會(huì)使Mg-Al合金的凝固平衡分配系數(shù)增大甚至趨近于1，大量Al元素又會(huì)被截留在固相中，排到液相中的Al元素減小，析出的一次β相又會(huì)減少.也就是說(shuō)隨著冷速不斷增大合金析出的一次β相含量先增大后減小.同等離心壓力下，不保溫試樣一次β相多，而保溫試樣幾乎沒(méi)有出現(xiàn)一次β相，主要由于增大冷速導(dǎo)致一次β相析出量增多.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，不保溫試樣二次β相顆粒數(shù)量少并且粒狀尺寸減小，其原因主要為，大量Al元素參與一次β相的形成，溶入α-Mg基體中的Al元素含量驟減，同時(shí)冷速增大，二次β相來(lái)不及析出及長(zhǎng)大.

壓力對(duì)Mg-Al二元相圖的影響表明，增大凝固壓力Al在鎂中的溶解度減小，析出的β相含量增加［10］.而本實(shí)驗(yàn)條件下β相析出量減少由兩方面因素決定.一方面，離心旋轉(zhuǎn)凝固過(guò)程中，合金的散熱是由模具的吸熱和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中和空氣的強(qiáng)對(duì)流完成，半徑越大，旋轉(zhuǎn)的速度越大，空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱的速度越大.同時(shí)離心力越大鑄件中的缺陷包括空位、微觀氣孔等明顯減少，致密度增大，合金液與模具的接觸更加充分，其導(dǎo)熱性得到提高［11］，這樣離心力越大鑄件的冷卻速率越大，對(duì)于不保溫試樣，由于溶質(zhì)截留作用增強(qiáng)，析出的一次β相減少.對(duì)于保溫試樣，溶質(zhì)元素來(lái)不及析出及長(zhǎng)大，析出的二次β相數(shù)量減少.另一方面，由于離心力大的一邊冷速大，合金液更傾向于在半徑大的一邊優(yōu)先凝固，將未凝固的液相排到離心力小的一邊，同時(shí)由于合金的平衡分配系數(shù)K＜1，未凝固液相中Al元素含量增多，隨著離心力增大，基體Al元素含量不斷減少.對(duì)于不保溫試樣，離心力增大，β相析出量減少，并且由于晶粒細(xì)化晶界面積增多，β相能分布的區(qū)域增加，使得β相由粗大連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被割裂向斷續(xù)蠕蟲(chóng)狀形態(tài)轉(zhuǎn)變.對(duì)保溫試樣，隨著離心壓力增大，合金中溶質(zhì)元素含量減少，同時(shí)其冷速增加，二次β相析出受阻，所以其β相顆粒數(shù)目減少，并且粒徑細(xì)化.

2.1.2 晶粒細(xì)化原因分析

從金相圖片分析可以看出，隨著離心壓力的增大，晶粒尺寸得到細(xì)化.由于本實(shí)驗(yàn)條下，離心轉(zhuǎn)速和半徑不大，產(chǎn)生的相對(duì)離心力（RCF）僅為263 g，對(duì)合金熔點(diǎn)的提升約為0.0214 K［12］，對(duì)晶粒細(xì)化產(chǎn)生的作用不大.所以晶粒尺寸細(xì)化主要由合金液對(duì)流作用產(chǎn)生的異質(zhì)核心數(shù)目決定，強(qiáng)烈的對(duì)流可以打碎凝固界面前沿的枝晶，同時(shí)可以將模具邊部已結(jié)晶晶核沖刷掉，作為形核核心分散在合金液中.在離心壓力場(chǎng)的作用下可以強(qiáng)化這種對(duì)流運(yùn)動(dòng)，并且隨著離心壓力的增大，對(duì)流所產(chǎn)生的枝晶破碎和沖刷作用越明顯，這樣便會(huì)在離心力大的一邊產(chǎn)生大量的異質(zhì)核心.［13］經(jīng)典凝固理論表明：異質(zhì)形核的形核功遠(yuǎn)小于均質(zhì)形核，對(duì)金屬或合金的形核率起決定性作用.離心力大的一邊合金液中分散的大量異質(zhì)核心，在很大程度上提高了合金形核率.另外，離心力大的一邊，合金的傳熱速率和導(dǎo)熱性得到提升，冷卻速度增大，增大了形核過(guò)冷度，從而使晶粒尺寸得到了細(xì)化［14］.

2.2 XRD分析

圖2為保溫試樣和不保溫試樣不同取樣位置的XRD衍射圖.

圖2 保溫和不保溫試樣X(jué)RD衍射圖譜

由圖2可知不保溫試樣其物相為基體α-Mg和第二相β（Mg12Al17）.由于Zn的含量較少，并且在基體中的固溶度較大，所以Zn元素基本都固溶在基體α-Mg里.并且可以發(fā)現(xiàn)隨著離心壓力的增大β相的峰強(qiáng)略微減小.說(shuō)明其第二相含量是減少的，但減小的程度不是很大，這與金相圖片得出的結(jié)果一致.而保溫試樣由于第二相析出量較少其β相峰值并不明顯，只在離心力最小的3#試樣上出現(xiàn)微弱的β相峰.將保溫試樣和不保溫試樣的1#和3#α-Mg的（10 1-0）和（0002）晶面衍射峰用快速傅立葉變換濾波進(jìn)行平滑處理，平滑曲線(xiàn)如圖3所示，離心力大的1#試樣相對(duì)于離心力小的3#試樣其α-Mg的衍射鋒向高角度方向偏移，說(shuō)明其晶格常數(shù)減小.這主要由兩方面因素決定，一方面由于Al元素和Zn元素是以置換的方式溶入α-Mg基體中形成置換固溶體.同時(shí)由于粒子半徑RMg＞RZn＞RAl，通過(guò)前面分析可以知道，離心力大析出的β相含量減少，這樣溶入α-Mg中的Al元素含量增多，同時(shí)隨著壓力增大Zn在α-Mg中的固溶度增加［15］，所以會(huì)將大尺寸的Mg原子置換出來(lái)，從而使其晶格常數(shù)減少.另一方面，增大凝固壓力，會(huì)壓縮的α-Mg晶胞體積，從而使其晶格常數(shù)減少.

圖3 保溫和不保溫試樣α-Mg（101-0）和（0002）晶面衍射峰

3 結(jié) 論

1）保溫冷卻條件下，增大離心壓力，在細(xì)化晶粒的同時(shí)，只析出少量的β（Mg12Al17）相，不保溫冷卻條件下，晶粒細(xì)化程度更大，但其β相的析出量明顯增多.

2）不保溫試樣其第二相主要由沿晶界分布的一次β相和少量在晶內(nèi)彌散分布的粒狀二次β組成，離心壓力增大，一次β相由粗大連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向斷續(xù)細(xì)小蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.保溫試樣主要由二次β相組成，離心壓力增大，晶粒內(nèi)部粒狀顆粒數(shù)量減小，且粒徑細(xì)化.

3）隨著離心壓力的增大，保溫試樣和不保溫試樣的α-Mg（101-0）和（0002）衍射峰會(huì)向高角度方向偏移，α-Mg的晶格常數(shù)減小.

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（編輯 張積賓）

Effect of centrifugal pressure and cooling rate on solidification microstructure of AZ91 alloy

LI Wei，MA Youping，YANG Lei，ZHANG Baolin，YUAN Zhanjun

（Dept.of Metallurgical Engineering，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an 710055，China）

Solidification microstructure evolution of magnesium alloy AZ91 under different centrifugal pressure and cooling rate were explored through OM and XRD to optimize solidification microstructure of AZ91 alloy，With the increasing of centrifugal pressure，the grain size and precipitation of second phase β-Mg12Al17was decreased，the morphology of β turned from coarse continuous networks to thin interruption in the sample without heat preservation，while in the sample with heat preservation，granular β phase distributed within the grains.The number of β was reduced，and the size of β was refined with increasing centrifugal pressure.With the increase of cooling rate under same pressure，more primary β precipitated，but less secondary β precipitated.Result of XRD showed that the peak value of β weakened slightly and the lattice constant of α-Mg decreased with increasing pressure.

centrifugal pressure；cooling rate；AZ91 magnesium alloy；solidification microstructure

TG146.22

A

1005-0299（2015）06-0125-04

10.11951/j.issn.1005-0299.20150623

2015-07-07.

基金項(xiàng)目：陜西省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（2014K08-16）；陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（14JK1411）；陜西省社發(fā)重點(diǎn)合作單位項(xiàng)目（2012KTJD02-01）.

李 偉（1989—），男，碩士研究生；馬幼平，（1961—），男，教授、博導(dǎo).

馬幼平，E-mail：youpingma615@163.com.