基于半固態等溫處理制備非枝晶鎂合金的研究進展

摘 要：在半固態成形技術中，主要關注的是針對半固態漿料或坯料在制備過程中的成形機理的研究。與其他方法相比半固態等溫熱處理法更具較好的發展前途，通過對金屬坯料的等溫熱處理，合金由枝晶向球狀組織轉變，準備坯料提供給接下來半固態觸變成形的工序；在半固態成形前的二次加熱過程中，枝晶完成轉化，因而在半固態金屬漿料中獲得具有細小化的球形或非枝晶組織是它的關鍵和基礎。文章在非枝晶組織形成機理梳理的基礎上，綜合考察半固態等溫熱處理前合金原始組織、等溫處理的溫度、等溫處理的時間、加熱方式和加熱速率這些重要的因素，對比分析對非枝晶組織鎂合金組織的形成情況，用以尋找合適的參數來確定優化工藝。

關鍵詞：等溫處理；鎂合金；半固態非枝晶組織

中圖分類號：TG146.2

1 引言

鎂合金是目前所應用的材料中最輕的金屬結構材料之一，密度為鋁的2/3，是鋼的1/4，比強度超過鋁合金和鋼。鎂合金具以其所具有的有低密度、高比強度、良好的阻尼系數和電磁屏蔽性，以及較強的抗電磁干擾能力、較高的導熱性，易于回收等優勢，廣泛被應用于3C電子、汽車制造、航空航天等領域。目前，部分鎂合金產品在醫療器械的生產、武器制造等方面已經開始應用[1]。因而，鎂合金在現代工程應用中具有廣闊的發展前景。在鎂合金生產中常采用的是直接壓鑄液態鎂合金以促使最終成形，由于受工藝因素的影響具有先天的不可避免的缺陷，如氣孔、疏松等。嚴重影響著最終產品的耐腐蝕性能和力學性能，而且鎂具有較活潑的化學性質，使得其在熔煉過程和常規鑄造條件下極易氧化燃燒。在實際工程中，減少氧化燃燒的危險性且可在低溫完成的成形作業，一直是有待攻克的難點。隨著半固態成形技術不斷的發展、難點不斷的解決，在液相比例小的區間實現鎂合金成形得以實現。

半固態金屬成形技術與以往的加工工藝不同的是，在半固態金屬成形過程中，金屬不僅具有較小收縮量、組織具有較小的偏析等優勢，而且還具有生產過程中消耗較少的原材料、較少的能源耗費以及所獲得產品具有較高的質量等優勢，被譽為21世紀新一代金屬成形技術[2]。

在半固態成形技術中，主要關注的是針對半固態漿料或坯料在制備過程中的成形機理的研究，在半固態金屬漿料中獲得具有細小化的球形或非枝晶組織的是它的關鍵和基礎。而在半固態漿料獲得非枝晶組織方法很多，如機械攪拌技術、電磁攪拌技術、應變誘發熔體激活法（SIMA）、半固態等溫熱處理法（SSIT）等方法。其中半固態等溫熱處理法與其他方法相比更具較好的發展前途。通過對金屬坯料進行等溫熱處理，使合金由枝晶向球狀組織轉變，所準備坯料提供給下面的半固態觸變成形的工序；在半固態成型前的二次加熱過程中，枝晶完成轉化。不僅具有較高的可操作性、簡單的工藝和設備，其關鍵是降低了鎂合金半固態坯料制備時的氧化，創新了鎂合金非枝晶錠料制備的新方法[3]。

2 非枝晶組織形成機理概述

隨著制備合金坯料方法的不同，形成非枝晶組織有著不同的形成機理。熔體機械攪拌法，是通過使合金液體產生相對的旋轉方式，以獲得剪切力來破碎枝晶以得到非枝晶組織，而旋轉是通過對合金液體施加電磁力或機械力實現的；應變誘發熔體激合法，主要是對合金錠料預先加載使其塑性變形達到一定程度，使其內部能量增加，在對其之后進行等溫處理加熱過程中，非枝晶組織由再結晶轉變成等軸晶所形成。非枝晶組織的制備在采用半固態等溫熱處理的方法時，由于其非枝晶組織是在加熱過程中得以實現晶體組織的轉變，故其非枝晶組織形成的機理，必然與非枝晶組織在其他工藝中形成的機理存在較大的差異。

通過對半固態等溫熱處理過程的分析與研究，認為非枝晶組織的形成機制為：在對合金進行半固態等溫熱處理時，在合金中不單單存在著原子擴散，而且還存在著原子的能量起伏，這些因素的存在均會使合金成分向均勻方向發展，從而消除了枝晶分枝特征，促進了團狀枝晶的形成并發展。在團狀枝晶間隙內部組織中，會產生低熔點相偏聚的現象，在合金溫度達到并超過相圖固相線溫度時，低熔點必然會向液相發生轉變，團塊狀枝晶產生游離[4]。

3 等溫處理的影響

半固態等溫熱處理的過程。合金錠料經變質或細化處理后，將其加熱到固-液兩相共存的半固態溫度，通過適當時間的保溫處理，使其微觀組織完成非枝晶狀態的轉化，這個經過處理的合金錠料所具有的性能完全能夠滿足半固態合金觸變成形工藝的需求。半固態等溫處理過程中的合金組織形成與常規不同，合金半固態成形前需進行二次加熱，在此過程中合金組織完成非枝晶的轉化。變質處理包括細化處理、進行等溫處理時所選定的時間、溫度范圍以及加熱的速率范圍，這些在原始錠料處理上所采用的參數等諸多因素，均為半固態等溫熱處理制備非枝晶組織坯料的關鍵工藝因素。所以，在對合金進行半固態等溫處理時，如采取了不當的工藝參數，則直接影響著其非枝晶組織的形成，會使“象足”現象、晶粒粗化以及液相偏析等現象發生，對坯料后期的觸變成形性有著很大的影響，以至于直接影響到產品的質量。

綜上所述，在研究工藝因素合金非枝晶組織形成的影響因素時，主要從如下幾個方面來進行：一是要研究合金原始組織對其的影響；二是研究等溫的溫度及時間對其的影響；三是要研究加熱方式及速率的影響。

3.1 合金原始組織的影響

半固態等溫熱處理法與SIMA法、機械攪拌和電磁攪拌法相比，具有一定的優勢。半固態等溫熱處理的過程為，合金錠料經變質或細化處理后，再將其加熱到固-液兩相共存的半固態溫度，通過適當時間的保溫處理，使其微觀組織完成非枝結構轉化。這種處理方法，使得SIMA法的預變形步驟、機械攪拌和電磁攪拌法處理過程中制備非枝晶組織的步驟均被省略。非枝晶鎂合金組織最終過程轉化，是在合金坯料在半固態成形前，經過二次加熱得以實現，這一特點使得在鎂合金半固態坯料制備工藝中的半固態等溫熱處理法，具有較大的發展前途。將Ti、B等元素加入Al-Si合金后，經過適當保溫處理，能夠得到粒狀初生α-Al組織，但是所獲得的初生晶粒的圓整度并不太理想。通過實際研究現已得出，針對鎂合金半固態坯料的半固態等溫熱處理法，添加一定的RE、Sn以及Zr鹽均可使晶粒得以細化。對于不同種類合金采用半固態等溫熱處理法時，其半固態等溫處理的溫度、時間均是非常敏感的參數，因為坯料中的固相成分的含量將取決于它們。

合金原始的組織形成受不同因素的影響非常大，如原始錠料變質處理和冷卻速率等。在對鎂合金進行半固態等溫熱處理時，其非枝晶組織的形成又會受到合金原始的組織的影響。在對AZ91D鎂合金經過變質處理之后，對合金鑄態組織和半固態等溫熱處理組織進行分析，李元東等[5]得出：鎂合金球狀組織的非枝晶化不受變質處理的影響，均可經過半固態等溫熱處理過程實現，但組織的轉變規律在轉變過程中存在一定的差異，情況如下：

未經過變質處理過的鎂合金錠料組織演變過程如圖1所示。

經過變質處理后鎂合金錠料組織演變過程如圖2所示。

在這一同時還表現出，初始鎂合金錠料變質效果越好的，半固態等溫熱處理時，演變在非枝晶組織中發展越迅速，球狀非枝晶組織向較為細小、均勻且圓整度較高的程度發展；與之相反，初始鎂合金錠料變質效果不理想的，良好的非枝晶組織的充分獲得，等溫處理過程中，則需要更高溫度或更長等溫處理時間，或者這兩種因素均需適當的提高。

3.2 半固態等溫溫度和等溫時間的影響

通過Mg-5Al-1.5Ca-0.4Zn、AZ91D和MB15等鎂合金的研究[6]，在非枝晶鎂合金組織的形成過程中，等溫處理溫度的提高可充分熔斷枝晶和相互的分離，而等溫處理時間的延長也實現這一目的。離散的枝晶，對初生相轉變為球狀、顆粒非枝晶組織起著很大的促進作用。在一定溫度下保持不變的等溫時間，溫度的提高會促進粒狀晶的圓整度、球化度的提高；但是已粒狀化的晶粒，因過長的保溫時間會使其非正常擴展，向不規則形狀方向轉變。通過對以往的研究分析總結：種類相異的鎂合金，均存在一個比較合適的等溫溫度和等溫時間區域，在此區域可通過半固態等溫熱處理獲得理想的非枝晶組織以滿足觸變成形所需。例如，已有的研究表明：在570 ℃+25～35 min或580 ℃+15～20 min的區域中，為AZ91D鎂合金比較合適的半固態等溫溫度和等溫時間。通過研究還可以得出，不同類型的合金在半固態等溫熱處理過程中，其枝晶組織的球化度也會存在不同的差異。閻峰云等[7]在MB15鎂合金研究時得出：在經半固態等溫熱處理后，球狀枝晶組織即便可以轉化出來，但其與AZ91D合金比較來說，球狀化效果較差，其影響的因素，可能是Mg、Zn和Zr三種合金元素存在MB15鎂合金中，并且它們的晶體結構都一樣，且晶粒的生長在保溫過程中取向性比較明顯。

3.3 加熱方式和加熱速率的影響

在半固態等溫熱處理過程中加熱方式和加熱速率對鎂合金非枝晶組織形成的影響研究，單步加熱方式在已有的研究中是大多數采用，即將合金錠料直接地加熱到半固態等溫區間，再通過一定的等溫處理，合金的非枝晶組織在此過程中可直接形成，這就是單步加熱方式的半固態等溫處理過程。

在工程中采用的兩步加熱方式的工藝，即第一步先將需處理的合金錠料加熱到液相線溫度后，先進行短時間保溫處理；第二步再將合金錠料冷卻到半固態等溫溫度區間，再進行較長時間保溫處理。通過研究可得出相關結論：合金錠料在經過兩步加熱方式的半固態等溫處理過程，會更加容易獲得細小的非枝晶組織[8]。通過分析得出，在第一步液相線溫度短時保溫處理時，會更加促進初生相枝晶組織的熔斷。非枝晶組織形成演化，在半固態等溫熱處理時，會受加熱速率的影響。通常認為，加熱速率越快其合金組織粗化過程區間就越小，組織粗化過程就越不充分，所以合金組織球化程度就越高。在針對ZA101鋁合金半固態成型過程的研究中[9]，得到相關結果：加熱速率作為關鍵因素，制約平衡溫度實現的速度，要想處于時平衡溫度所需時間縮短需較大的加熱速率。同時，在相同的條件下，加熱速率的升高也會促使合金晶粒的圓整度、球化度隨著升高。

4 存在的問題及今后的發展方向

在鎂合金非枝晶組織坯料的半固態等溫熱處理制備上，盡管國內外已做了一系列的研究，在非枝晶組織形成影響的工藝因素及其形成的機理等方面中，盡管取得一定的成績，但鎂合金半固態成型中的相關研究中，在非枝晶組織演變影響的因素中，工藝控制這一實際工程中所面對的因素研究中，深度仍存在一些不足，而且數值模擬方法在實際中的應用，以及基于聯系實踐理論機理研究落后于實際工程。要想在實際工業生產中完全應用、推廣這項技術，還要對以下幾個方向進行深入的研究。

（1）在鎂合金半固態成型中，應加大工藝優化控制的研究，著重點關注工藝控制因素對非枝晶的晶粒尺寸、固相分數的影響；

（2）針對壓縮變形機制應深入加大研究，重點關注坯料在真實的工程環境下觸變成形過程中，應力-應變這一對應關系在坯料中體現的研究的深入以及液-固兩相區本構方程的構建；

（3）加大數值模擬方法的應用，利用數值方法來模擬在等溫熱處理過程中非枝晶組織形成過程以及半固態坯料觸變成形的過程，以獲得數據指導實際的研究；

（4）通過上述目標，加大鎂合金的非枝晶組織演變在不同類型零件實際成形過程中研究的深入。

通過上述方面深入研究，尋找到合適的參數來確定優化的工藝，用以制備出合格的坯料，為半固態金屬成形技術在實際工業生產中完全得到廣泛的推廣、應用做好準備。因此，該技術后續最重要的研究方向，是找到解決目前研究中存在問題的方法，使該項技術盡快在工程實際中得到推廣應用。

參考文獻：

[1]" 曾正南，彭小仙，劉楚明. 壓鑄鎂合金及其應用[J]. 金屬材料與冶金工程，2007（2）：3-7+39.

[2]" 唐全波，黃少東，伍太賓. 鎂合金在武器裝備中的應用分析[J]. 兵器材料科學與工程，2007（2）：69-72.

[3]" 閻峰云，強旭東，張玉海，等. AZ91D鎂合金半固態觸變成形壓鑄工藝[J]. 中國有色金屬學報，2008（4）：595-600.

[4]" 閻峰云，李波，馬孝斌，等. 鎂合金半固態漿料制備技術進展[J]. 中國鑄造裝備與技術，2008（6）：1-5.

[5]" 李元東，郝遠，閆峰云，等. AZ91D鎂合金在半固態等溫處理中的組織演變[J]. 中國有色金屬學報，2001（4）：571-575.

[6]" 黃曉鋒，魏浪浪，楊劍橋，等. 半固態等溫熱處理對Mg-7Zn-

1Cu-0.3V鎂合金非枝晶組織的影響[J]. 材料導報.2020，34（14）：14116-14121.

[7]" 閻峰云，單巍巍，郝遠，等. MBl5在半固態等溫處理中的組織和成分演變[J]. 材料科學與工藝，2005（1）：25-29.

[8]" 楊光昱，郝啟堂，介萬奇，等. Mg-5Al-1.5Ca-0.4Zn基鎂合金的等溫半固態壓鑄組織和性能[J]. 中國有色金屬學報，2005（4）：614-620.

[9]" 盧春輝.可形成長周期結構的稀土鎂合金半固態制備研究坯料[D]. 南昌：南昌航空大學碩士論文，2016.