鎂合金熱處理過程中組織與相的變化

鎂合金熱處理過程中組織與相的變化摘要：本文研究了AZ91D等溫?zé)崽幚磉^程中的溶質(zhì)擴散、晶界熔化、晶粒合并以及相變等對枝晶球化過程的影響。結(jié)果表明:隨著熱處理時間的延長，晶粒逐漸球化，而且發(fā)生合并現(xiàn)象；同時在界面能降低的驅(qū)使下，通過溶質(zhì)原子的擴散,晶粒內(nèi)部包裹小液滴；半固態(tài)部分重熔過程中經(jīng)歷以下相變：β→α，α+β→L，α→L。關(guān)鍵詞：AZ91D鎂合金；等溫處理；相變TheResearchofOrganizationandPhaseChangeofMagnesiumAlloyduringIsothermalHeatTreatmentAbstract:Theeffectofsolutediffusionandthegrainboundarymeltingandgrainmergerandphasetransitionsondendritespheroidzingprocessisresearchedduringtheisothermalheattreatment.Theresultsshowthatthegrainsgraduallyspheroidizeandappearthemergerphenomenonwithextendingtheheattreatmenttime.Atthesametime,owingtodecreasinginterfacialenergy;thepackedsmallliquiddropformintra-grainbythediffusionofsoluteatoms,Thereisthefollowingphasetransition:β→α,α+β→L,α→LduringThesemi-solidremelting.Keywords:AZ91Dmagnesiumalloy;isothermaltreatment;phasetransition1、概述鎂合金是現(xiàn)代金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種，以其密度低、比強度和比剛度高、尺寸穩(wěn)定性好、電磁屏蔽好及價格穩(wěn)定等優(yōu)點，近年來在航空航天、儀器制造、國防和電子工業(yè)等領(lǐng)域，尤其是汽車工業(yè)中獲得日益廣泛的應(yīng)用[1]。鎂合金半固態(tài)成具有成形溫度低、凝固收縮小、缺陷和偏析減少、晶粒尺寸細小、模具壽命延長等優(yōu)點,被專家學(xué)者譽為21世紀新一代新興金屬加工方法。但是,要實現(xiàn)鎂合金的半固態(tài)成型，首先必須制備初生相為顆粒的非枝晶組織合金。國內(nèi)外研究者常用的枝晶粒化方法為機械攪拌法或電磁攪拌法。由于機械攪拌法的工藝參數(shù)難以控制、攪拌設(shè)備易磨損和腐蝕、不適應(yīng)與高熔點合金和易氧化合金,因此該法很難在工業(yè)上推廣應(yīng)用；國外已將電磁攪拌法應(yīng)用于生產(chǎn),但該法設(shè)備投資大,工藝復(fù)雜。半固態(tài)等溫?zé)崽幚碜鳛?0世紀90年代開發(fā)的一種半固態(tài)枝晶組織坯料制備方法，能夠在半固態(tài)成形前的二次加熱過程中直接把原材料錠坯變?yōu)榘牍虘B(tài)非枝晶組織坯料，具有工藝簡單、成本低廉等優(yōu)點[2-3]。本文采用半固態(tài)等溫?zé)崽幚矸?對應(yīng)用最廣泛的AZ91D鑄造鎂合金進行了研究,觀察了其在半固態(tài)等溫?zé)崽幚碇械慕M織和相的變化。2．鎂合金熱處理過程分析2.1鑄太組織AZ91D鎂合金初生相α相(灰色)以樹枝晶形態(tài)存在，沿α相不連續(xù)分布的白色組織為(α+β)共晶組織。2.2組織形貌變化隨著保溫時間的延長，鑄態(tài)組織中的枝晶臂逐漸消失,由不規(guī)則形狀向球狀轉(zhuǎn)變。晶界處的共晶組織和晶粒內(nèi)部的富Al、Zn部分首先熔化，在兩個晶粒間以液態(tài)薄膜形式存在，在多晶粒交界處以液態(tài)熔池形式存在，而在晶粒內(nèi)部則以小液滴形態(tài)存在。到10min時，液態(tài)薄膜的厚度增加，熔池的體積增大，晶粒完全被液態(tài)金屬層包圍,而晶粒內(nèi)部開始出現(xiàn)小液滴，初生晶粒全變?yōu)榻驙畹念w粒組織。到20min時，晶粒內(nèi)的小液滴變大，同時數(shù)量減少?？梢钥闯?在20min之前，隨著保溫時間的延長，晶粒逐漸長大[9]。2.3溶質(zhì)原子擴散溶質(zhì)原子的擴散行為在加熱過程中可分為兩個階[4]：在溫度升至共晶點溫度之前，屬于均質(zhì)化擴散；當(dāng)溫度達到共晶點時，共晶化合物開始融化，周圍的溶質(zhì)原子向液態(tài)共晶化合物中富集，融化區(qū)域擴大，但是鄰近區(qū)域成為溶質(zhì)貧化區(qū)，這些區(qū)域的熔點升高，如果繼續(xù)熔化,就必須升高溫度。在加熱溫度升至固相線溫度前，只有富Al的共晶組織熔化，在多個晶粒交界處形成熔池,同時晶粒內(nèi)部那些富Al、Zn的小質(zhì)點開始熔化。在溫度升至固相線后的保溫過程中，隨著時間的推移,在界面能最小化的驅(qū)動下，晶粒內(nèi)熔化的小質(zhì)點通過溶質(zhì)原子的擴散合并成小液滴，或向晶界處液態(tài)中擴散而消失。2.4枝晶組織球化分析枝晶組織球化過程包括二次枝晶臂消失、脫落、枝晶沉淀以及Ostwald熟化過程。T.Z.Kattamis，J.J.Reeves、Kuang-HoChen等人先后對二次枝晶臂粗化進行了研究，并分別提出了二次枝晶臂粗化的四種物理模型：徑向融化模型、頸縮熔斷模型、軸向融化模型與枝晶合并模型。在枝晶生長過程中，二次枝晶臂由于他們的曲率不同，會造成各枝晶臂附近液相內(nèi)的溶質(zhì)濃度的差別，枝晶曲率半徑越小，附近液相溶質(zhì)濃度越低，這樣溶質(zhì)濃度梯度的存在將促使溶質(zhì)從粗枝處向細枝處擴散，造成細枝熔化和粗枝變粗。因此，在固、液兩相區(qū)停留的時間愈長,上述過程進行的愈充分，枝晶球化愈明顯。隨著保溫時間的延長，晶粒由等軸晶→枝晶熔斷→分裂成塊狀→球化。對于鎂合金半固態(tài)保溫過程中組織的球化，可認為當(dāng)組織中固相體積一定時，只有成球狀或近球形才具有最小的表面能，所以從表面能較高的星狀向球狀轉(zhuǎn)化，使系統(tǒng)的自由能下降，這是一個熱力學(xué)自發(fā)過程，等軸晶組織能否球化，主要取決于原子的擴散。當(dāng)在兩相區(qū)保溫時，使原子具有足夠的動力學(xué)條件發(fā)生聚集球化。就2.5蹦晶粒合并繩分析昌固豐-裂液界面的形堆態(tài)總是力圖朝使界面吉布紛斯自由能最糟低竭，窩這樣的形態(tài)疲才最穩(wěn)定。繩在等溫?zé)崽幝堇磉^程中奉，良組織變化的趕驅(qū)動力是體劍系自由能喊(箏表面能院)而的降低欺[5碌]循。等溫?zé)崽幷`理過程中晶壺粒間表面能月降低的方式蜂有兩種蘇：蜜(1)裹通過晶粒間守的相對旋轉(zhuǎn)萍，鴿減小晶粒間悄的取向誤差館,朝減小晶界面孔積蹲；倉(2)癥晶界遷移來減增大二面角濾。通常等溫犬熱處理過程誤中醒，零由于半固態(tài)姐金屬的流動銳性差胃，妹通過晶粒旋慰轉(zhuǎn)來降低界耐面能很困難餐，花只能發(fā)生大睛晶粒吞噬小禾晶粒長大。蜓隨著時間的登延長繡,童晶粒發(fā)生合聰并。在等溫得熱處理過程渴中零，污處于液固兩庸相區(qū)內(nèi)的合塘金鑄態(tài)組織剪發(fā)生了次枝立晶臂消失乏，腐固相顆粒發(fā)趁生這Ostwa前l(fā)d詠熟化以及合烤并現(xiàn)象踢，健熟化和合并夜貫穿整個過利程路，痛只是熟化在醋早期占據(jù)著聯(lián)主要位置蜓,僑隨著時間的姓延長晉，育合并又成了濕主要現(xiàn)象。序2.6侵液相變化批分析送熱處理過程瓜中液相以液湊態(tài)薄膜、熔析池和晶內(nèi)小仰液滴三種形挎式存在。在腔形成液固相戴組織時霧，裁液相侵蝕晶明界鏟，詳形成包裹固邀相的液層。美但在固相體攔積分數(shù)極高采的情況下膨，文兩固相顆粒亮間一般不能紛通過合并來細降低界面能激；仰同時何，猶固相顆粒與悉熔池界面處合的半徑遠小貞于與液態(tài)薄麗膜界面處的情半徑打，牌從而產(chǎn)生曲鳴率差效應(yīng)賴;管在這兩種因屈素的綜合作趣用下貨，煩根據(jù)膀Gib粒bs-速Thoms可on頑效應(yīng)臂[6]爹可知遣：愈當(dāng)晶粒的局務(wù)部半徑趨于碎無限大時憶，端其吉布斯自吸由能趨于最辮小狐，鄉(xiāng)與液態(tài)薄膜喬接觸的固相忘界面盡可能恢地發(fā)展成平付面密，悉從而在二維查平面上薄膜謠以直線向熔鍬池中推進晨，公形成直線形搬貌的淬火共憐晶組織。隨孟著熱處理加聽熱時間的延瓦長穗，袖液相體積增層加和晶粒熟釋化土，擔(dān)薄膜形狀成宮為圓弧形程，篩形成以大量蜻液相為基體碑，械球形顆粒分逐散其中的半糠固態(tài)漿料。姿在半固態(tài)加泊工的后序成您形過程中事，緩液相的多少異決定了合金泡漿料的流動座性斃[7-8]什，沸從而決定充龍型速度和充簡型壓力濁，掛晶內(nèi)小液滴萄的多少對合稅金鑄件的成熟形性能有著繪很大影響。烘小液滴的形舞成有三種原冤因底：出(1)呢晶粒在凝固萬過程中吞沒蟻的富撞Al彩雜質(zhì)或晶內(nèi)到偏析造成的款，雷低熔點富酷Al剩質(zhì)點經(jīng)過熔麗化、擴散、貼合并形成較說大液滴芽，忽而位于晶粒稍邊部質(zhì)點通域過溶質(zhì)原子摘擴散到液相杯組織中而消梯失瘦，凱兩者都促進勢了小液滴的豐數(shù)目減少隱；舉(2)猶等溫?zé)崽幚砝浅跗谔幱谌劢^化與合并的狡動態(tài)平衡中蜓，彈枝晶臂間發(fā)廉生合并銜接妥，匪而枝晶根部堅未擴散完的巾低熔點共晶仙組織發(fā)生熔屋化饅，竟形成晶內(nèi)液奇池掛；運(3)險在次枝晶臂陽縮頸熔斷后材原位沉淀在兄主干上發(fā)生緊熟化過程中圾形成的延，彩二次枝晶臂降在主干上沉宋淀時發(fā)生搭彼橋現(xiàn)象膊，噸在熟化過程賤中形成晶粒毛內(nèi)包裹液滴飲。苗2.7翁相變分析怖組織的變化劫是由相變引深起的嗚，婦為了更好地餐解釋鎂合金毯組織的演變園過程碗，依通過相的變蜓化來分析該位過程。重熔苦是凝固的反份過程芬，職由于疾Mg蘿-戀Al擱-替Zn謠三元相只有潑在姨Zn銅與推Al醉的質(zhì)量比大糕于巧1/3魯時才會形成賭，牧因此對于寇AZ91D劇合金而言闖，汗可不考慮少掉量群Zn微對線AZ91D蜻相圖的影響永[5]燦，奔可以根據(jù)乓Mg垂-鏡Al躍二元相圖分匯析慢AZ91D催鎂合金在熔卷化過程中的外組織演變。統(tǒng)從相圖可以廢看出半固態(tài)斃部分重熔過澤程中勢必經(jīng)艱歷以下相變傳：付β→α爐，湊α具+年β→停L蝶，臟α→妨L雹。暖圖1玉Mg黨-貓Al稍二元合金富彩鎂相圖帆圖2奇AZ91D撓鎂合金在膏580恩℃浮加熱不同時究間后的謊XRD執(zhí)圖譜濱AZ91D猾鎂合金組織醒由富鎂相上α最相和沿犁α丟相不連續(xù)分世布的崇(協(xié)α鍛+譜β掙)碌共晶相組成悔。圖戚2滾所示為悟AZ91D甜鎂合金在脆580解℃毫加熱不同時撐間后的好X損射線衍射譜傭?？梢钥闯隹?，咽在加熱初期州，格因進行跡β→α升的相變招，加使汪β潛相的量減少殃，平而懶α襲相的量增加視。因護β→α米相變使晶界年處共晶組織誤中的酒β燕相向晶內(nèi)擴善散獸，籠一方面造成招晶粒晶界的醒減少和晶?？宓暮喜挘瑩Q另一方面使興初生賞α挎相中的甲Al葬含量增加怪，捆β牢相中的煎Al悶含量減少。盼因加熱初期殊，宜試樣溫度升桶高很快而引鄭發(fā)相變怪α嚴+腦β→朱L續(xù)，點使弊β粘相的量減少唐。浴α升+歌β→火L界相變使未來嘩得及擴散的喉共晶組織開獄始熔化弊，爛造成大塊狀壁組織分離稈，鑼同時阿α稱相中的搏Al次含量增加菜，穴β醬相中的湯Al妨含量減少。勺隨著加熱時淡間的延長晶，訪因進行短α期+櫻β→六L討的相變肌，仿使液相量增者加念，狗大塊狀組織谷全部分離成宿相互獨立的繳多邊形顆粒士。冰隨著加熱時害間的繼續(xù)延濫長和試樣溫限度的升高拴，陽從而引發(fā)鐵α→手L沾相變寧，筒使撿α他相中的慎Al箱含量略微減氣少練，汗β鍋相中的威Al咳含量略有增凝加朵，循α→踏L妹相變使多邊頑形晶粒的凸缸棱熔化而發(fā)刺生球化井，蝴直至體系達攀到固希-階液相平衡態(tài)喇。3結(jié)論巡(1)妻隨著保溫時帥間的延長唱，攔晶粒由等軸伶晶爛→剪枝晶熔斷南→閘分裂成塊狀鋪→磚球化?；?2)匪在等溫?zé)崽幯昀磉^程中晶雁界處共晶首幸先熔化臺，愚隨著熱處理朋溫度的上升邊，貧在兩固相顆祥粒間的液態(tài)襯薄膜逐漸包納裹了固相顆超粒旬，抱形成固相顆霜粒分散在液裂態(tài)基體中的其半固態(tài)漿料茶。蓋(3)伸半固態(tài)部分鍬重熔過程中恥經(jīng)歷以下相樓變章：突β→α廢，合α件+買β→奉L脾，線α→糞L考。參考文獻秧[1磚]Kan濟ekoT親adata饅ka暗,摧Suzuk眠i廣Masam扣i弱Autom熟otive漠a(chǎn)ppl倦icati央ons動ofma狹gnesi助umal渾loys竭[J].怕Mater雷ials功Scien沙ceFo該rum量,炭2003彎,紀419-4渣22(1)豎:象67-敗72.宗[2蔽]Nic益holas丈NH統(tǒng),濟Tric器hka健MR,占Young全KP.型Appl霧icati挪onof謙Semi-停solid藏Meta瓶lFor絕ming皂toth飲e虹Produ外ction斯ofS足mall趴Compo顛nents牛[A].我Proc罷eedin懼gof源the5概thIn氧terna啊tiona賊lCon御feren輪ceon訂Semi凈-富solid疾Proc富essin柳gof尚Alloy種sand上Comp厚ri謊-宏SiteS奪[C不].炊Color漿ado歐USA賄,開1999康,6壤(23-2以5):7箱9-依85.粘[3遷]續(xù)路貴民鳥,羅董杰泳,渡崔建忠等挽.羅液相線半連帖續(xù)鑄造鳴7075A耽l噸合金二次加炮熱與觸變成矩形敏[J]水金屬學(xué)報潔,凍2001待,37(1插1):1章185-土1188.南[4乖]巴王瑞權(quán),種張大華惱等。星鎂合金在等捷溫?zé)崽幚碇忻晌⒂^組織的眠研究嘗[J注].泉熱處理技冷術(shù)與裝備懶,2023陵,30(3湊):43限-48.煮[廁5壤]隔李元東浴.AZ9答1D悶鎂合金的觸轎變成形工藝臉與熱處理研墨究秤[D但].符蘭州逗:軍蘭州理工大喪學(xué)蹤,2005亞:36-授40光[6]束張小立閘,收力廷舉戀,學(xué)騰海濤等縫.仆等溫?zé)崽幚砣沁^程中鑄態(tài)由AZ91臘鎂合金的微鼠觀組織演化驗[J袋].益鑄造引,叮2007壩,56(敢10):說1048-喚1052.供[7手]Fan輸Z.客Semis棄olid跳metal摧proc魄essin嫌g[J款].In沃terna嶼ti