AZ81镁合金的凝固行为及组织演变

刘 榆，龙思远，2，陶 军

（1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045；2.国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044）

0 引言

镁合金作为实际应用中密度最小的结构材料，兼有高的比强度和比弹性模量，良好的刚性、切削加工性及利于回收等优点，同时还具有减震、导热、耐冲击等特点，在汽车、电子、交通、航天航空和军工领域具有重要的应用价值和前景［1－3］。镁铝锌合金是目前使用最广泛的镁合金之一，国内外对镁铝锌合金已开展了大量卓有成效的研究工作［4－5］，但目前的研究多集中在铸造性能和高、常温力学性能方面［6］，而对其显微行为的研究相对较少。

为此，作者以镁铝锌合金中铸造性能相对优异的AZ81镁合金为研究对象，通过相图和差热分析确定了其在凝固过程中的主要相变点，采用液淬方法得到相变点的显微组织，并研究了其凝固行为及组织演变机理。

1 试样制备与试验方法

试验材料为市售AZ81镁合金，其化学成分（质量分数／%）为8.16Al，0.62Zn，0.21Mn，0.02Si，0.001 6Cu，0.004Fe，0.000 5Ni，余Mg。

将AZ81镁合金表面的氧化皮去除后，放入内径为6mm 的薄壁不锈钢微型坩埚内，用钨极氩弧焊将坩埚的开口端密封；然后将不锈钢微型坩埚置于金属架上的滑动吊箱上，再一起置于箱式电阻炉（见图1）内，同时将连接晶闸管温度控制器的热电偶置于箱式电阻炉内测炉内温度，再将一个连接温度记录仪的微型热电偶插入不锈钢坩埚测合金的温度。用耐火棉封住箱式炉下端的通道，当温度达到相变温度点时，去掉耐火棉，推动滑竿使装有镁合金的不锈钢坩埚从箱式炉下面的开口处迅速掉入激冷的盐水槽中，进行液淬处理。

图1 箱式电阻炉示意（侧面）Fig.1 Schematic diagram of furnace box（side）

各温度点液淬的AZ81镁合金试样经磨平抛光后，用6%（体积分数）硝酸酒精溶液腐蚀，然后采用XJP－3A 型光学显微镜和配有能谱仪（EDS）的VEGA ⅡLMU 型扫描电子显微镜（SEM）进行组织观察和化学元素分布的分析，以揭示AZ81镁合金的凝固行为。

用METTLER TGA／DSC1／1100LF 型热分析仪对AZ81镁合金进行了差热分析（DSC），以确定其液固相变温度和共晶相变温度。测试时，试样被匀速加热到700 ℃，然后在5 ℃·min－1的降温速率下进行差热分析，降温全过程在氩气的保护下进行，气体流量为10mL·min－1。

根据DTA 曲线得出的固液转变和共晶相变温度，采用上述光学显微镜，选取在425，460，500，590，650 ℃液淬后的试样进行组织分析。

2 试验结果与讨论

2.1 DTA 曲 线

根据文献［7］可知，试样在相变时吸收或放出的热量使其温度高于或低于参照物的温度，从而在DTA 曲线上得到放热峰或吸热峰。AZ81 镁合金的凝固过程包括液－固转变和共晶转变两个过程。

由图2 可知，AZ81 镁合金在加热过程中出现了2个峰值点，根据第一个峰值可以确定共晶转变（L→α－Mg＋β）温度为426.8 ℃左右，根据第二个峰值知固液相变（L→α－Mg）温度为591.4 ℃左右。

图2 AZ81镁合金的DTA曲线Fig.2 DTA curve of AZ81magnesium alloy

2.2 XRD谱

由图3 可知，室温时合金的凝固组织中存在α－Mg和β－Mg17Al12两相。

图3 冷却到室温后AZ81镁合金的XRD谱Fig.3 XRD pattern of AZ81magnesium alloy after cooling to room temperature

2.3 EDS谱

图4 AZ81镁合金在550 ℃液淬后的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 550 ℃

表1 AZ81镁合金在550 ℃液淬后的EDS分析结果Tab.1 EDS analysis results of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 550 ℃ %

由图4及表1可知，AZ81镁合金在550℃液淬后，从液相中析出的初晶组织（1点）中镁的质量分数达96.03%，由此可以判定其为α－Mg；初晶α－Mg中固溶有少量铝，同时由于试样表面被氧化，也含有少量氧元素。初晶α－Mg枝晶间富铝的残余金属液淬后，过冷度很大，形成伪共晶组织（2 点），它由α－Mg和分布于其间的网状β－Mg17Al12构成，从而使得该伪共晶组织中镁的质量分数为67.03%，高于β－Mg17Al12相中的镁含量。

由图5和表2可知，AZ81镁合金在400℃液淬后，基体相（3点）为α－Mg。应该指出的是，共晶相应为β－Mg17Al12，但由于合金随炉冷却，β－Mg17Al12中的铝元素有充分的时间扩散，使得4点的EDS分析结果中的镁含量高于β－Mg17Al12中的镁含量。共晶转变是在已存在大量初晶α－Mg 的条件下进行的，共晶α－Mg相依附初晶α－Mg生长，与初晶α－Mg合为一体，β－Mg17Al12相则存在于α相的晶界处。

图5 AZ81镁合金在400 ℃液淬后的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 400 ℃

表2 AZ81镁合金在400 ℃液淬后的EDS分析结果Tab.2 EDS analysis results of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 400 ℃ %

2.4 凝固过程

在AZ81镁合金中，锌的含量较少，且固溶于镁基体中，因此可以根据镁铝二元合金相图［8］和XRD结果来分析AZ81镁合金的凝固过程。

由图6可见，在650℃液淬时，因镁合金的的过冷度很大，形核率较高，故而此时获得的枝晶组织为饱和的固溶体，尺寸极其细小，说明在此温度下AZ81镁合金为液态，铝完全溶于镁基体中；随着液淬温度降至590℃，铝在镁基体中的固溶度减小，细小枝晶中出现了少量白亮块状组织，结合镁铝二元合金相图和XRD 分析结果推知其为初晶α－Mg，说明此温度下初晶相α－Mg 固溶体开始从液相中析出，与前面推断的固液相变温度约为590 ℃完全相吻合；液淬温度继续降至500℃时，白亮块状的初晶α－Mg数量不断增多，逐渐长大连成一片，并形成粗大的枝晶组织。当液相析出初晶α－Mg时，向α－Mg枝晶间排出部分铝溶质原子，铝溶质原子来不及扩散均匀化，在尚未凝固的液相中富集［9］，随着固液界面前沿铝含量不断增多，使富铝的残余液体在初晶α－Mg 枝 晶 间 隙 发 生 共 晶 转 变，形 成α－Mg、β－Mg17Al12共晶组织。液淬时，由于过冷度很大，富铝的残余液体来不及形成离异共晶组织，直接进入伪共晶区形成黑色网状的伪共晶β－Mg17Al12；液淬温度为460℃时，随着温度的降低，温度的下降速率变得比较缓慢，溶质铝有相对多的时间进行扩散，使得共晶组织中的枝晶变细；液淬温度降到425℃时，黑色颗粒β相继续变小，此时的β相不是网状的伪共晶组织，而是两相分离的离异共晶组织，这表明合金在450～425 ℃之间发生了共晶转变。

3 结论

（1）AZ81镁合金的固液相变温度约为590 ℃，共晶转变温度约为420 ℃。

（2）AZ81 镁合金在凝固时首先会析出α－Mg树枝晶，在其生长过程中，固液界面前沿的铝含量不断增多，富铝的残余液体在枝晶间隙发生共晶转变，最后凝固形成α－Mg和β－Mg17Al12的共晶组织；由于该共晶组织含量少，共晶α－Mg相往往依附于初生α－Mg形核长大，将β－Mg17Al12相推向α－Mg 枝晶的晶界，形成离异共晶组织。

图6 AZ81镁合金在不同温度液淬后的显微组织Fig.6 Microstructure of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at different temperatures

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