原標(biāo)題：近液相線溫度注射對(duì)AZ91D合金組織和力學(xué)性能的影響

摘要

本文研究了基于AZ91D合金的近液相線溫度下，采用注射成型法制備半固態(tài)鎂合金，分析了不同溫度下AZ91D合金的顯微組織，并測試其室溫力學(xué)性能。利用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM/EDS）觀察合金組織；采用X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行相組成分析。結(jié)果表明，AZ91D合金中主要由α-Mg基體、β-Mg17Al12相組成；注射溫度為595℃和600℃時(shí)，有利于獲得精細(xì)且彌散分布的初生球狀晶；595℃和600℃注射成型的AZ91D合金力學(xué)性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度(UTS)、屈服強(qiáng)度(YS)、伸長率(EL)分別為274MPa和269MPa、163MPa和162MPa、8.4%和6.1%，均高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定液態(tài)壓鑄件的下限值。

鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、導(dǎo)熱性好、易于回收等一系列獨(dú)特性能。因此，它被視為21世紀(jì)的一種綠色環(huán)保材料，將成為汽車和3C（計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)電子）行業(yè)的關(guān)鍵材料，其合金的研究已成為一個(gè)全球性的問題。除了上述諸多優(yōu)點(diǎn)以外，由于鎂及其合金屬于密排六方（HCP）晶體結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)體和滑移系少，其變形機(jī)制主要分為滑移和孿生，導(dǎo)致其合金室溫塑性變形能力較差。目前，鎂合金結(jié)構(gòu)件的成型工藝主要以壓鑄、半固態(tài)注射成型為主。壓鑄成型具有高產(chǎn)能、尺寸控制精密且可成型幾何形狀復(fù)雜的工件等優(yōu)點(diǎn)，但是由于壓鑄成型速度高，金屬漿料在填充時(shí)易出現(xiàn)裹氣、紊流現(xiàn)象，致使鑄件容易產(chǎn)生細(xì)小的氣孔和縮松，造成力學(xué)性能下降、無法熱處理、氣密性差等問題，無法成型薄壁部件。近液相線成型是基于液相線上下20℃溫度區(qū)間進(jìn)行澆注，可以減緩晶粒的生長速率，改變晶粒大小，起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果，也是近年來發(fā)展起來的一種新型的半固態(tài)制備方法。與普通鑄造成型的鎂合金相比，半固態(tài)注射成型的鎂合金具有缺陷少、力學(xué)性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)近終成形的加工特點(diǎn)，在近年被積極地引入商用。國外，Czerwinski等人最早開展鎂合金成型工藝研究，結(jié)果表明，將合金溫度嚴(yán)格控制在液相線水平附近的范圍內(nèi)，產(chǎn)生了具有高完整性的結(jié)構(gòu)，由細(xì)小的近等軸α-Mg晶粒組成，周圍大多是不連續(xù)的β-Mg17Al12金屬間化合物沉淀。其中，初生固相要么完全不存在，要么少量（≤5%）存在，其形態(tài)從球狀到退化的花瓣?duì)畈坏?。國?nèi)，樂啟熾等人開展了不同冷卻速率對(duì)Mg-Al系合金的性能研究，主要是將近液相線成形技術(shù)集成到半固態(tài)Mg-Al系鎂合金。王開等人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在595℃附近溫度鑄造時(shí)，合金組織呈現(xiàn)非枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)小，形狀因子接近1。汪存龍等人論證了液態(tài)擠壓鑄造和近液相線擠壓鑄造 Mg-Gd-Y-Zr合金在不同熱處理狀態(tài)下的強(qiáng)化機(jī)制，并定量計(jì)算了各強(qiáng)化機(jī)制的強(qiáng)度貢獻(xiàn)。Qi等人[13]研究了澆注溫度和圓筒溫度對(duì)流變注射成型AZ91D合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)降低澆注溫度或圓筒溫度有助于改善流變成型AZ91D的力學(xué)性能，以細(xì)化α-Mg顆粒，降低孔隙率。

目前，鋁合金近液相線成型技術(shù)的日趨成熟，同屬于輕合金的鎂合金基于近液相線半固態(tài)注射成型逐漸引起學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是此技術(shù)在鎂合金中應(yīng)用得較少。因此，本課題主要集成近液相線成型工藝與半固態(tài)注射成型設(shè)備于一體，研究了近液相線溫度注射對(duì)半固態(tài)AZ91D合金顯微組織和室溫力學(xué)性能的影響，旨在為改善半固態(tài)鎂合金的力學(xué)性能提供依據(jù)。

1試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)采用寶武鎂業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的商用AZ91D合金材料，其合金化學(xué)成分如表1所示。已有文獻(xiàn)研究表明，AZ91D合金的固液相線的溫度區(qū)間為470℃～595℃。試驗(yàn)設(shè)備為伊之密股份有限公司自研的UN650MG II鎂合金注射成型機(jī)，將規(guī)格為4mm×1.5mm×1.5mm的顆粒狀A(yù)Z91D合金通過旋轉(zhuǎn)螺桿的輸送與剪切，在模具溫度為280℃，壓射速度為2.3～2.5m/s，鎖模力為6500kN，經(jīng)過料筒的加熱逐漸變成半固態(tài)的漿料停留在螺桿前端，測得漿料溫度分別為580℃、590℃、595℃、600℃及620℃條件下，螺桿向前注射，將半固態(tài)漿料注入封閉的模具型腔中直接成型，其注射成型工作原理如圖1所示。

表1 AZ91D鎂合金的化學(xué)成分（wt.%）

圖1 AZ91D半固態(tài)鎂合金制備工藝示意圖

將試樣分別用800～3000#SiC砂紙打磨、精拋，經(jīng)腐蝕后獲得顯微組織觀察試樣，采用4%硝酸酒精溶液浸蝕5～10s。利用Smartzoom 5蔡司光學(xué)顯微鏡觀察合金的OM組織，借助金相分析軟件計(jì)算合金初生相α-Mg的固相率(S)和形狀因子(F)，計(jì)算公式見（1）(2)；選用場發(fā)射電子掃描電鏡(Hitachi-S4800)配備德國 Bruker Quantax 能譜分析系統(tǒng)觀察合金組織、尺寸及分布狀態(tài)；利用Cu靶的PW3040/60型X衍射儀（XRD）分析合金物相組成。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13822-2017《壓鑄有色合金試樣》對(duì)合金拉伸測試要求，其試樣具體參數(shù)如圖2所示，并采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)（LF5105）對(duì)該合金進(jìn)行室溫拉伸測試，拉伸速率為2.5mm/min。

式中，A0 表示半固態(tài)組織單個(gè)顆粒的面積；As 表示晶粒的總面積，N為固相顆粒數(shù)量，P0 表示固相顆粒的周長。其中，形狀因子F的值越接近于1 時(shí)，則表明在組織中固相顆粒的圓整度越高。

圖2 拉伸試樣尺寸（單位：毫米）

2測試結(jié)果及討論

2.1 半固態(tài)AZ91D合金顯微組織

從圖3和圖4可以看出，固相分?jǐn)?shù)(S)和形狀因子(F)可以通過漿料溫度控制，隨著溫度的升高S和F呈下降趨勢。620℃下，該合金中沒有觀察到α-Mg顆粒，在基體中出現(xiàn)一定數(shù)量的孔隙，如圖 3(e)、(f) 所示。隨著注射溫度從580℃升至600℃，α-Mg顆粒逐漸變細(xì)，均呈現(xiàn)出半固態(tài)組織。其中，580℃和590℃的AZ91D合金固相率較多，主要是此溫度下的黏性增大且流動(dòng)性小，組織中初生的α-Mg已經(jīng)形成并開始長大；當(dāng)溫度為595℃和600℃時(shí)，這兩個(gè)合金的晶粒尺寸較小且分布較為均勻，固相率(S)、形狀因子(F)分別為3.2%和2.5%，0.62和0.55。結(jié)合圖3中初生相α-Mg的形態(tài)演變可以得出，595℃和600℃注射成型有利于獲得精細(xì)且彌散分布的初生球狀晶，對(duì)合金力學(xué)性能的提高起到了積極作用。

圖3 不同溫度注射成型的AZ91D合金OM組織：(a)580℃；(b)590℃；(c)595℃；(d)600℃；(e)620℃；(f)620℃局部放大

圖4 AZ91D在不同溫度下注射成型的固相率和形狀因子

為了確定不同溫度下注射成型AZ91D合金中的物相組成，選取595℃和620℃成型的AZ91D合金進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖5所示。測試結(jié)果表明，經(jīng)不同溫度下注射成型的AZ91D合金析出相沒有發(fā)生改變，主要由α-Mg基體和金屬間化合物β-Mg17Al12兩相組成。除此之外，還存在少量Al-Mn相，由于其數(shù)量不足，特征峰并未出現(xiàn)在XRD圖譜中，這與趙春芳等人研究結(jié)果一致。

圖5 AZ91D鎂合金XRD圖譜

為了進(jìn)一步確定合金析出相的形貌、分布及特定區(qū)域元素含量，對(duì)這該合金做了掃描電鏡（SEM）和典型析出相能譜（EDS）分析。圖6為不同溫度下成型AZ91D合金的SEM形貌，從中可以看出，這五個(gè)合金均由黑色基體和灰白色沿晶界分布的第二相β-Mg17Al12相組成，其中，580℃的合金晶粒輪廓清晰、第二相于沿晶界連續(xù)網(wǎng)狀分布、形狀飽滿而圓整，結(jié)合圖3（a）為典型的等軸球晶；595℃和600℃合金組織中第二相不連續(xù)分散釘扎在晶界上；590℃和620℃合金中第二相則呈現(xiàn)出半連續(xù)的網(wǎng)狀分布在基體上。

圖6 不同溫度注射成型的AZ91D合金SEM形貌：(a)580℃；(b)590℃；(c)595℃；(d)595℃局部放大；(e)600℃；(f)620℃

選取595℃和620℃注射成型的合金典型區(qū)域進(jìn)行SEM-EDS面掃及點(diǎn)分析，分析結(jié)果如圖7與表2所示。圖（a）中B點(diǎn)組織形態(tài)，主要由Mg元素與少量溶質(zhì)元素Al組成，這是因?yàn)锳l元素在Mg 基體中仍然有一定的固溶度，結(jié)合EDS分析可知該區(qū)域?yàn)?alpha;-Mg基體。在灰白色區(qū)域處的A和C點(diǎn)，除基體Mg以外，還富含部分溶質(zhì)Al元素子，結(jié)合表2可知，A、C點(diǎn) Al元素的原子占比分別為23.56%和13.35%，遠(yuǎn)高于9%，結(jié)合圖6的EDS面掃分析和XRD圖譜可以確定灰白色組織為β-Mg17Al12相。此外，ABC三點(diǎn)的面掃分析均顯示有少量的Zn與Mn富集，這是因?yàn)樵谀踢^程時(shí)，Zn與Mn原子在富Al區(qū)偏聚。

圖7 不同溫度注射成型的AZ91D合金EDS面掃分析

表2 不同溫度注射成型AZ91D合金中析出相EDS分析(at.%)

2.2 半固態(tài)AZ91D合金室溫力學(xué)性能

圖8為室溫條件下對(duì)不同溫度 (580℃、 590℃、595℃、600℃及620℃)注射成型的AZ91D合金棒條進(jìn)行了拉伸測試。從圖中可以看出，隨著成型溫度的改變，合金的力學(xué)性能（UTS、YS、EL）也隨之變化，即隨著溫度的升高，合金力學(xué)性能呈先升高的后降低的趨勢。其中，580℃和590℃注射成型的AZ91D合金力學(xué)性能相對(duì)較差，主要是此溫度低于該合金的液相線溫度較多，漿料處于半固態(tài)，其黏性增大且流動(dòng)性小，易出現(xiàn)孔隙且組織中初生的α-Mg已經(jīng)形成并開始長大。595℃和600℃注射成型的AZ91D合金力學(xué)性能最優(yōu)，其抗拉強(qiáng)度(UTS)、屈服強(qiáng)度(YS)、伸長率(EL)分別為274MPa和269MPa、163MPa和162MPa、8.4%和6.1%。這主要是歸功于該合金中第二相分散釘扎在晶界，起到對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙的作用。眾所周知，凝固條件決定相的形狀和分布，試驗(yàn)中AZ91D合金均由初生相α-Mg和第二相β-Mg17Al12組成。結(jié)合圖6可看到低溫（580℃和590℃）時(shí)，該合金組織第二相β-Mg17Al12相對(duì)粗大且聚集，大部分沿晶界呈網(wǎng)格狀連續(xù)分布，這會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度和塑性下降。相反，高溫時(shí)第二相相尺寸較小，不連續(xù)且呈均勻彌散分布，晶粒尺寸減少有利于提高合金的力學(xué)性能。總體來看，參照現(xiàn)行液態(tài)壓鑄標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25747-2022《鎂合金壓鑄件》，595℃、600℃和620℃注射成型的AZ91D合金力學(xué)性能均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，其中，595℃和600℃成型的合金力學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)。

圖8 不同溫度注射成型的AZ91D合金室溫拉伸性能

室溫條件下，鎂合金為HCP晶體結(jié)構(gòu)，滑移系較少，一般為脆性斷裂起主導(dǎo)作用。結(jié)合圖9不同溫度成型的AZ91D合金低倍和高倍的SEM斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，斷口由解理面、撕裂棱以及少量的韌窩組成，即呈現(xiàn)典型的脆性斷裂。隨著溫度的升高，拉伸斷口中解理平面數(shù)量變少，出現(xiàn)少量韌窩。其中，595℃和600℃合金的斷面較為平齊，光亮，存在少量的韌窩且深度大，進(jìn)一步說明兩者的塑性相對(duì)較好。塑性大小順序?yàn)椋?95℃＞600℃＞620℃＞590℃＞580℃。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，可以得出結(jié)論，最佳溫度注射應(yīng)控制在595～600℃之間。在這種條件下，觸變成型AZ91D合金不僅具有理想的組織結(jié)構(gòu)和較高的力學(xué)性能，而且節(jié)省了能源，降低了對(duì)模具的熱沖擊，延長使用壽命。

圖9 不同溫度注射成型的AZ91D合金室溫拉伸斷口形貌：(a)580℃；(b)590℃；(c)595℃；(d)600℃；(e)620℃

3結(jié)論

（1）AZ91D合金中主要由?-Mg基體、β-Mg17Al12相組成，析出相不隨溫度的變化而改變。注射溫度為595℃和600℃時(shí)，有利于獲得精細(xì)且彌散分布的初生球狀晶，這兩個(gè)合金的固相率(S)、形狀因子(F)分別為3.2%和2.5%，0.62和0.55。

（2）隨著溫度的升高，AZ91D合金力學(xué)性能呈先升高的后降低的趨勢，其中，595℃和600℃注射成型的AZ91D合金力學(xué)性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度(UTS)、屈服強(qiáng)度(YS)、伸長率(EL)分別為274MPa和269MPa、163MPa和162MPa、8.4%和6.1%，均高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定液態(tài)壓鑄件的下限值。

作者：

郭春榕 陳熾輝 陳勇 李祥
伊之密股份有限公司
廣東省智能化模壓成型裝備企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
謝勝川 王加軍 王宏平 傅俠
寧波星源卓鎂技術(shù)股份有限公司