Si對快速凝固/粉末冶金(RS/PM)AZ91鎂合金組織和性能的影響

摘 要:采用快速凝固/粉末冶金(RS/PM)法制備了Si增強的AZ91鎂合金。研究了不同Si含量對AZ91鎂合金的微觀組織、室溫和高溫力學性能的影響。結果表明:隨著Si含量的增加，合金中原位生成的Mg2Si顆粒逐漸長大。Si的加入顯著提高了合金的室溫和高溫力學性能。室溫下，當Si含量≤3%時，合金的抗拉強度隨著Si含量的增加而提高，當Si含量增加至5%時，合金的抗拉強度大幅度降低。其中RS/PM (AZ91+3%Si)合金表現出最優異的室溫力學性能:σb高達472.36MPa，σ0.2、δ分別達到329.76MPa、4.70%。合金的高溫抗拉強度(473K)隨著Si含量的增加而提高。

關 鍵 詞:快速凝固;鎂合金;Mg2Si;力學性能

Effect of Si Content on Microstructure and Property of Rapid Solidification/Powder Metallurgy (RS/PM) AZ91 Alloy

CHEN ZhenhuaCAO TeZHOU Tao

ABSTRACT: Si-enhanced AZ91 magnesium alloy was obtained through (RS/PM) in this paper. The effects of different Si content on microstructure， room and elevated temperature mechanical properties of AZ91 alloy were examined. The results show that Mg2Si particles generated in situ are grew up gradually as the increasing of Si content. By adding Si to the alloy can significantly improve the room and elevated temperature mechanical properties. At the room temperature， The tensile strength of alloys improved with the Si contents increased when the Si contents less than 3(mass)%. But when the Si contents increased to 5(mass)%， the alloy tensile strength reduced significantly. The alloy with 3(mass)%Si exhibits the best mechanical properties， its 0.2% yield tensile strength，ultimate tensile strength and elongation of rupture were 354.93MPa， 472.36MPa and 4.70%. And the alloy elevated temperature (473K) tensile properties improved as the Si addition increasing.

KEYWORDS: Rapid solidification; Magnesium alloys; Mg2Si; Mechanical properties

由于能源短缺和日益苛刻的環保要求，全球對低密度、高性能結構材料的需求日益增大。在交通工具、移動設備上盡可能多的應用輕質結構材料顯的越來越重要[1]。而金屬鎂及其合金是目前工業上最輕的金屬結構材料，具有較高的比強度、比剛度以及良好的鑄造、減震、切削加工等性能[2-3]。AZ91鎂合金是目前應用最為廣泛的鑄造鎂合金之一，但隨著應用要求的不斷提高，AZ91鎂合金的強度有待進一步提高。Si作為一種廉價的基礎合金化元素加入AZ91鎂合金中，可與Mg反應生成高熔點、高硬度的Mg2Si相，是強化鎂合金最有潛力的元素之一[4-5]。但Si的添加最大不足在于低冷卻速率下會形成粗大漢字狀Mg2Si相[6]，從而使合金力學性能受到很大影響。閔學剛等[7]運用Ca、RE和Si復合合金化AZ91來細化和改變Mg2Si相形態，但這些元素價格昂貴，且合金化程度也有限。

快速凝固(RS)是一種新型的金屬材料制備技術，基本原理是設法將合金熔體分散成細小的液滴，減小熔體體積與散熱面積的比值，提高熔體凝固時的傳熱速度，抑制晶粒長大和消除成分偏析。與傳統材料制備技術相比，快速凝固技術可以顯著細化合金的微觀組織、減小成分偏析、擴展合金元素在基體中的極限固溶度、形成亞穩相等[8-9]，從而顯著改善合金的力學性能。如果能夠利用快速凝固技術制備出均勻分布的微米級或更為細小的Mg2Si相顆粒增強鎂合金材料，則該類材料將具有重要的研究價值。顧世真等[10]研究了噴射成形AZ91和AZ91+2wt%Si鎂合金的微觀組織，發現噴射成形技術顯著細化了合金組織，并有效改善了Mg2Si相的形態，使之呈現為近球形或多邊形。前期工作[11]研究表明，RS/PM (AZ91+2wt%Si)合金具有優異的室溫和高溫力學性能，合金的最高拉伸強度(σb)達到429.78 MPa，伸長率(δ)為6.4%。但目前Si含量對RS/PM AZ91合金組織和性能的影響仍然不清楚。因此，本文通過在RS/PM AZ91合金的基礎上添加不同含量的Si，并研究Si對RS/PM AZ91合金的微觀組織、室溫和高溫力學性能的影響。

1.實驗方法

圖1為霧化-雙輥急冷法裝置工作原理的示意圖，從原理圖可知，制備快淬薄帶碎片的過程如下:將鎂合金熔液轉入澆鑄鋼包內，蓋上鋼蓋，在熔液表面施加Ar (99.99%)氣壓力，使溶液從噴嘴噴射而出，在液柱未接觸銅輥之前，從側旁給液柱施加一股從出氣口噴射出的Ar氣流，這股Ar氣流可將液柱破碎成細小的

圖1霧化-雙輥急冷法裝置工作原理示意圖

Fig.1.Schematic illustration of twin-roller atomization equipment

液滴，隨即濺射到銅輥表面快速凝固后沿銅輥旋轉切線方向甩出，從而制備出快速凝固合金箔片。霧化-雙輥急冷法的工藝參數如下:輥速1200r/min (25.12m/s)，噴嘴孔徑1.5mm，Ar氣壓力0.08MPa，液流破碎Ar氣壓力0.3MPa，噴鑄高度145mm，雙輥輥縫寬度0.1mm，澆鑄溫度993K，保溫爐溫度923K，澆注坩鍋預熱溫度923K，整個裝置的保護氣氛為Ar氣，鋼包內側涂有ZnO層。隨后將快速凝固粉末在473K溫度下壓實成直徑為50mm坯料，并在653K溫度下擠壓成橫截面為6mm×30mm板材，擠壓比為11:1，擠壓速度

為0.1mm/min。具體合金的成分如表1所示。通過西門子D5000 X射線衍射儀，JEM-3010透射電鏡，掃描電鏡JEOM5600來研究快速凝固粉末和其擠壓棒材的微觀組織。在微機控制電子萬能實驗機(WDW-E100)上測試板材的室溫和473K和523K的高溫力學性能。圖2為合金板材拉伸樣示意圖，室溫試樣標距尺寸為12mm×3mm×2mm。通過MM - 6光學顯微鏡觀察材料的顯微金相組織，拍攝金相照片，本實驗所用的組織浸蝕劑為1%的硝酸酒精。

2.結果與討論

2.1合金板材的相組成

圖3為Si增強AZ91鎂合金的XRD衍射圖譜。由圖3(a)可以看出，快速凝固(AZ91+1%Si)合金粉末的相組成為α-Mg及少量的Mg17Al12(β)和Mg2Si相。經熱擠壓后(圖3(b))，β和Mg2Si相的衍射峰的數量和相對強度均有所增加，并有新相AlMg2Zn衍射峰的出現。根據衍射強度理論，各種物相的衍射峰強度會隨著各種物相的相對含量增加而增加，因此可以推測熱擠壓后(AZ91+1%Si)合金中析出了一定數量的β相， AlMg2Zn和Mg2Si相。這主要是由于快速凝固α-Mg是一種過飽和的固溶體，在熱擠壓過程中易脫溶，導致合金中第二相的析出。此外，隨著Si含量的增加，Mg2Si相的衍射峰的相對強度逐漸增加，表明合金中Mg2Si相的相對含量是

逐漸增加的。如圖3(c)和(d)所示，當Si的含量≥3%時，除了出現α-Mg，Mg17Al12(β)，Mg2Si和T-AlMg2Zn相衍射峰外，合金中還出現一個微弱的Si衍射峰。這可能是由于在993K的熔煉溫度下保溫時間不夠，同時Si在Mg基體中的固溶度非常小且熔點很高，因此與基體反應后，極少量Si單質殘留在基體中。

2.2 合金擠壓板材的微觀組織

圖4(a)為快速凝固箔片(A1)和擠壓板材的金相照片。其中箔片為典型的快速凝固細小樹枝狀晶組織，晶粒大小為1-5μm，并有少量第二相粒子分布在晶界處。經熱擠壓后，合金的組織有所長大，晶粒尺寸約為5-15μm，同時在晶粒內和晶界處可以明顯看到Mg2Si顆粒，并且在晶界上有大量、細小的β相。A1合金中Mg2Si顆粒細小，均為3μm以下。A2合金中出現了粒徑超過5μm的Mg2Si顆粒，而A3合金中粒徑超過5μm的Mg2Si顆粒明顯增多。根據Mg-Si二元相圖可知，Mg-Mg2Si的共晶成分為Mg-1.34%Si，共晶溫度為910.6K。很明顯A1合金為亞共晶成分，A2和A3合金均為過共晶成分。在合金凝固過程中(熔煉溫度為993K)，過共晶成分的合金(A2和A3)中會先析出Mg2Si固相(初生Mg2Si相)，且隨著Si含量的增加，初生Mg2Si相的含量逐漸增加。這些顆粒在合金隨后的凝固過程中受熱容易發生長大，因此隨著Si含量的增加，Mg2Si顆粒有長大的趨勢。但在快速凝固過程中合金的凝固時間很短，從而有效地抑制了Mg2Si相的異常長大，改善了復合材料的微觀組織特征。

圖5所示為RS/PM A2合金的TEM圖片。由圖可知，A2合金中存在大量、細小的第二相顆粒，這些顆粒分布比較均勻且以近球形為主，其平均尺寸約為200nm。對這種近球形顆粒(標為P)進行能譜分析可知，該粒子富集Mg和Si兩種元素，且(Mg/Si)at原子比近似為2:1。結合EDS能譜和XRD結果(圖3)，可以推斷該粒子為Mg2Si相。

綜上所述，RS/PM (AZ91+Si)合金中，增強相 Mg2Si顆粒均勻的分布在晶粒內部和晶界處，顆粒尺寸由幾百納米到幾個微米左右，隨著Si含量的增加，Mg2Si相顆粒逐漸增大。Si含量進一步的增加，還有單質Si的出現。

2.3 合金的力學性能

由表2可以看出， 在熔體中加入Si后制得的RS/PM (AZ91+xSi)合金的室溫力學性能優越，其平均抗拉強度相比基體提高了約17.8%。合金的斷裂延伸率隨著Si含量的增加而下降，而A1合金相比基體合金斷裂延伸率有了一定的提高，這是因為Si在Mg中固溶度小，與Mg反應生成高熔點的Mg2Si相，霧化過程中較高的冷卻速度可以抑制Mg2Si相的長大，細小的Mg2Si相在沉積過程中彌散分布于基體中，可作為α-Mg的異質形核核心，使最終的合金組織得到更一步的細化，因而延伸率有了一定的提高[10]。A2合金具有最佳的力學性能，其σb最高可達472.36MPa，σ0.2、δ分別達到329.76MPa、4.70%。結合圖4可知，由于A2合金中擁有比A1合金更多的能對位錯滑移和晶界擴散起阻礙作用的Mg2Si顆粒，強化效果優于A1合金，且合金中較少出現粒徑粗大的Mg2Si，不會導致基體被割裂。但是當Si的添加量進一步增加至5%時，材料的室溫抗拉強度和延伸率均有所下降。其原因可能是由于在993K的熔煉溫度下，大量Si的添加增大了Mg2Si在熔煉過程中長大的可能性，其中A3合金中的Mg2Si顆粒尺寸明顯大于A1和A2合金(如圖4所示)。此外，由圖3可知A3合金中還有少部分Si以單質的形式存在于基體中，這大大增加了材料的脆性，粒徑較大的Mg2Si和Si顆粒的存在都容易割裂基體，降低材料的力學性能。

由于AZ91鎂合金中主要強化相β-Mg17Al12的熔點低，在高溫下β相很容易軟化而失去釘扎晶界的作用，從而使得材料的拉伸強度大幅降低。C. Sanchez[12]等研究了快速凝固AZ91鎂合金的高溫性能，發現其室溫壓縮屈服強度約為350MPa，而在423K的壓縮屈服強度僅為70MPa左右。本實驗中Si的添加原位生成的高溫穩定相Mg2Si改善了合金的高溫性能，由圖6可以看出，A1合金在473K時的拉伸強度達到了161.83MPa，相比快速凝固AZ91基體合金有了大幅的提高，且高溫(473K)拉伸強度隨著Si添加量的增加而上升。擁有最佳的拉伸性能的A3合金，其拉伸強度達到了192.20MPa，這與鑄態AZ91的室溫拉伸強度接近。由于在較高溫度下，晶界受到熱激發容易發生滑移，而A3合金比A1、A3合金擁有更多彌散分布的高溫穩定相Mg2Si，能更加有效釘扎晶界，阻礙晶界運動，更有利于改善材料的高溫性能。當溫度提高到523K時，合金的拉伸性能急劇下降，斷裂拉伸強度都在90MPa左右。

由圖7可以看出Si添加RS/PM(AZ91)鎂合金擠壓態板材的斷口主要呈現韌性斷裂特征，有明顯的韌窩和撕裂痕，說明三種合金的斷裂方式都以韌性斷裂為主，增強體Mg2Si有明顯被拉斷的痕跡(如圖中箭頭所示)，且增強體與基體合金達到了完全冶金結合狀態。這些高硬脆增強體Mg2Si相開裂或被拉斷所釋放的應力都將使擴展的裂紋轉向，因而能有效的提高材料的強度，所以加Si的材料能比基體的斷裂強度有一定幅度的提高。隨著Si 含量的增多，斷口上呈現的顆粒也明顯增加，且粒徑變大。由于Mg2Si是脆性相，A1合金斷口上的呈現的Mg2Si顆粒明顯細小，粒徑都在5μm以下，而A3合金斷口中呈現出較多5μm左右的Mg2Si顆粒，有的甚至接近10μm，容易導致合金的塑性變壞，拉伸性能變差。

3. 結論

采用一種新的多級快冷方法制備了微晶鎂合金粉末，并運用粉末冶金方法把制備的粉末固結并擠壓制備了Si添加量分別為1%、3%、5%的鎂合金板材。

1. 合金擠壓板材均為細小等軸晶組織。該擠壓態復合材料板材中含有大量的Mg2Si增強相，且Mg2Si顆粒尺寸隨著Si添加量的增加而長大。

2. Si添加相比基體的力學性能有了大幅的提升。在993K的熔煉溫度下， A3合金表現出最優異的室溫力學性能:其σb最高可達472.36MPa，σ0.2、δ分別達到329.76MPa、4.70%。合金的高溫拉伸(473K)性能隨著Si含量的增加而上升。

3. RS/PM(AZ91+Si)鎂合金板材在室溫拉伸時都還呈現韌性斷裂特征，Si添加量為1%的合金室溫斷裂延伸率相比基體略有上升，隨Si添加量進一步增加，其斷裂延伸率下降。

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