Si对快速凝固/粉末冶金(RS/PM)AZ91镁合金组织和性能的影响

摘 要:采用快速凝固/粉末冶金(RS/PM)法制备了Si增强的AZ91镁合金。研究了不同Si含量对AZ91镁合金的微观组织、室温和高温力学性能的影响。结果表明:随着Si含量的增加,合金中原位生成的Mg2Si颗粒逐渐长大。Si的加入显著提高了合金的室温和高温力学性能。室温下,当Si含量≤3%时,合金的抗拉强度随着Si含量的增加而提高,当Si含量增加至5%时,合金的抗拉强度大幅度降低。其中RS/PM (AZ91+3%Si)合金表现出最优异的室温力学性能:σb高达472.36MPa,σ0.2、δ分别达到329.76MPa、4.70%。合金的高温抗拉强度(473K)随着Si含量的增加而提高。

关 键 词:快速凝固;镁合金;Mg2Si;力学性能

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环保要求,全球对低密度、高性能结构材料的需求日益增大。在交通工具、移动设备上尽可能多的应用轻质结构材料显的越来越重要[1]。而金属镁及其合金是目前工业上最轻的金属结构材料,具有较高的比强度、比刚度以及良好的铸造、减震、切削加工等性能[2-3]。AZ91镁合金是目前应用最为广泛的铸造镁合金之一,但随着应用要求的不断提高,AZ91镁合金的强度有待进一步提高。Si作为一种廉价的基础合金化元素加入AZ91镁合金中,可与Mg反应生成高熔点、高硬度的Mg2Si相,是强化镁合金最有潜力的元素之一[4-5]。但Si的添加最大不足在于低冷却速率下会形成粗大汉字状Mg2Si相[6],从而使合金力学性能受到很大影响。闵学刚等[7]运用Ca、RE和Si复合合金化AZ91来细化和改变Mg2Si相形态,但这些元素价格昂贵,且合金化程度也有限。

快速凝固(RS)是一种新型的金属材料制备技术,基本原理是设法将合金熔体分散成细小的液滴,减小熔体体积与散热面积的比值,提高熔体凝固时的传热速度,抑制晶粒长大和消除成分偏析。与传统材料制备技术相比,快速凝固技术可以显著细化合金的微观组织、减小成分偏析、扩展合金元素在基体中的极限固溶度、形成亚稳相等[8-9],从而显著改善合金的力学性能。如果能够利用快速凝固技术制备出均匀分布的微米级或更为细小的Mg2Si相颗粒增强镁合金材料,则该类材料将具有重要的研究价值。顾世真等[10]研究了喷射成形AZ91和AZ91+2wt%Si镁合金的微观组织,发现喷射成形技术显著细化了合金组织,并有效改善了Mg2Si相的形态,使之呈现为近球形或多边形。前期工作[11]研究表明,RS/PM (AZ91+2wt%Si)合金具有优异的室温和高温力学性能,合金的最高拉伸强度(σb)达到429.78 MPa,伸长率(δ)为6.4%。但目前Si含量对RS/PM AZ91合金组织和性能的影响仍然不清楚。因此,本文通过在RS/PM AZ91合金的基础上添加不同含量的Si,并研究Si对RS/PM AZ91合金的微观组织、室温和高温力学性能的影响。

1.实验方法

图1为雾化-双辊急冷法装置工作原理的示意图,从原理图可知,制备快淬薄带碎片的过程如下:将镁合金熔液转入浇铸钢包内,盖上钢盖,在熔液表面施加Ar (99.99%)气压力,使溶液从喷嘴喷射而出,在液柱未接触铜辊之前,从侧旁给液柱施加一股从出气口喷射出的Ar气流,这股Ar气流可将液柱破碎成细小的

图1雾化-双辊急冷法装置工作原理示意图

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

液滴,随即溅射到铜辊表面快速凝固后沿铜辊旋转切线方向甩出,从而制备出快速凝固合金箔片。雾化-双辊急冷法的工艺参数如下:辊速1200r/min (25.12m/s),喷嘴孔径1.5mm,Ar气压力0.08MPa,液流破碎Ar气压力0.3MPa,喷铸高度145mm,双辊辊缝宽度0.1mm,浇铸温度993K,保温炉温度923K,浇注坩锅预热温度923K,整个装置的保护气氛为Ar气,钢包内侧涂有ZnO层。随后将快速凝固粉末在473K温度下压实成直径为50mm坯料,并在653K温度下挤压成横截面为6mm×30mm板材,挤压比为11:1,挤压速度

为0.1mm/min。具体合金的成分如表1所示。通过西门子D5000 X射线衍射仪,JEM-3010透射电镜,扫描电镜JEOM5600来研究快速凝固粉末和其挤压棒材的微观组织。在微机控制电子万能实验机(WDW-E100)上测试板材的室温和473K和523K的高温力学性能。图2为合金板材拉伸样示意图,室温试样标距尺寸为12mm×3mm×2mm。通过MM - 6光学显微镜观察材料的显微金相组织,拍摄金相照片,本实验所用的组织浸蚀剂为1%的硝酸酒精。

2.结果与讨论

2.1合金板材的相组成

图3为Si增强AZ91镁合金的XRD衍射图谱。由图3(a)可以看出,快速凝固(AZ91+1%Si)合金粉末的相组成为α-Mg及少量的Mg17Al12(β)和Mg2Si相。经热挤压后(图3(b)),β和Mg2Si相的衍射峰的数量和相对强度均有所增加,并有新相AlMg2Zn衍射峰的出现。根据衍射强度理论,各种物相的衍射峰强度会随着各种物相的相对含量增加而增加,因此可以推测热挤压后(AZ91+1%Si)合金中析出了一定数量的β相, AlMg2Zn和Mg2Si相。这主要是由于快速凝固α-Mg是一种过饱和的固溶体,在热挤压过程中易脱溶,导致合金中第二相的析出。此外,随着Si含量的增加,Mg2Si相的衍射峰的相对强度逐渐增加,表明合金中Mg2Si相的相对含量是

逐渐增加的。如图3(c)和(d)所示,当Si的含量≥3%时,除了出现α-Mg,Mg17Al12(β),Mg2Si和T-AlMg2Zn相衍射峰外,合金中还出现一个微弱的Si衍射峰。这可能是由于在993K的熔炼温度下保温时间不够,同时Si在Mg基体中的固溶度非常小且熔点很高,因此与基体反应后,极少量Si单质残留在基体中。

2.2 合金挤压板材的微观组织

图4(a)为快速凝固箔片(A1)和挤压板材的金相照片。其中箔片为典型的快速凝固细小树枝状晶组织,晶粒大小为1-5μm,并有少量第二相粒子分布在晶界处。经热挤压后,合金的组织有所长大,晶粒尺寸约为5-15μm,同时在晶粒内和晶界处可以明显看到Mg2Si颗粒,并且在晶界上有大量、细小的β相。A1合金中Mg2Si颗粒细小,均为3μm以下。A2合金中出现了粒径超过5μm的Mg2Si颗粒,而A3合金中粒径超过5μm的Mg2Si颗粒明显增多。根据Mg-Si二元相图可知,Mg-Mg2Si的共晶成分为Mg-1.34%Si,共晶温度为910.6K。很明显A1合金为亚共晶成分,A2和A3合金均为过共晶成分。在合金凝固过程中(熔炼温度为993K),过共晶成分的合金(A2和A3)中会先析出Mg2Si固相(初生Mg2Si相),且随着Si含量的增加,初生Mg2Si相的含量逐渐增加。这些颗粒在合金随后的凝固过程中受热容易发生长大,因此随着Si含量的增加,Mg2Si颗粒有长大的趋势。但在快速凝固过程中合金的凝固时间很短,从而有效地抑制了Mg2Si相的异常长大,改善了复合材料的微观组织特征。

图5所示为RS/PM A2合金的TEM图片。由图可知,A2合金中存在大量、细小的第二相颗粒,这些颗粒分布比较均匀且以近球形为主,其平均尺寸约为200nm。对这种近球形颗粒(标为P)进行能谱分析可知,该粒子富集Mg和Si两种元素,且(Mg/Si)at原子比近似为2:1。结合EDS能谱和XRD结果(图3),可以推断该粒子为Mg2Si相。

综上所述,RS/PM (AZ91+Si)合金中,增强相 Mg2Si颗粒均匀的分布在晶粒内部和晶界处,颗粒尺寸由几百纳米到几个微米左右,随着Si含量的增加,Mg2Si相颗粒逐渐增大。Si含量进一步的增加,还有单质Si的出现。

2.3 合金的力学性能

由表2可以看出, 在熔体中加入Si后制得的RS/PM (AZ91+xSi)合金的室温力学性能优越,其平均抗拉强度相比基体提高了约17.8%。合金的断裂延伸率随着Si含量的增加而下降,而A1合金相比基体合金断裂延伸率有了一定的提高,这是因为Si在Mg中固溶度小,与Mg反应生成高熔点的Mg2Si相,雾化过程中较高的冷却速度可以抑制Mg2Si相的长大,细小的Mg2Si相在沉积过程中弥散分布于基体中,可作为α-Mg的异质形核核心,使最终的合金组织得到更一步的细化,因而延伸率有了一定的提高[10]。A2合金具有最佳的力学性能,其σb最高可达472.36MPa,σ0.2、δ分别达到329.76MPa、4.70%。结合图4可知,由于A2合金中拥有比A1合金更多的能对位错滑移和晶界扩散起阻碍作用的Mg2Si颗粒,强化效果优于A1合金,且合金中较少出现粒径粗大的Mg2Si,不会导致基体被割裂。但是当Si的添加量进一步增加至5%时,材料的室温抗拉强度和延伸率均有所下降。其原因可能是由于在993K的熔炼温度下,大量Si的添加增大了Mg2Si在熔炼过程中长大的可能性,其中A3合金中的Mg2Si颗粒尺寸明显大于A1和A2合金(如图4所示)。此外,由图3可知A3合金中还有少部分Si以单质的形式存在于基体中,这大大增加了材料的脆性,粒径较大的Mg2Si和Si颗粒的存在都容易割裂基体,降低材料的力学性能。

由于AZ91镁合金中主要强化相β-Mg17Al12的熔点低,在高温下β相很容易软化而失去钉扎晶界的作用,从而使得材料的拉伸强度大幅降低。C. Sanchez[12]等研究了快速凝固AZ91镁合金的高温性能,发现其室温压缩屈服强度约为350MPa,而在423K的压缩屈服强度仅为70MPa左右。本实验中Si的添加原位生成的高温稳定相Mg2Si改善了合金的高温性能,由图6可以看出,A1合金在473K时的拉伸强度达到了161.83MPa,相比快速凝固AZ91基体合金有了大幅的提高,且高温(473K)拉伸强度随着Si添加量的增加而上升。拥有最佳的拉伸性能的A3合金,其拉伸强度达到了192.20MPa,这与铸态AZ91的室温拉伸强度接近。由于在较高温度下,晶界受到热激发容易发生滑移,而A3合金比A1、A3合金拥有更多弥散分布的高温稳定相Mg2Si,能更加有效钉扎晶界,阻碍晶界运动,更有利于改善材料的高温性能。当温度提高到523K时,合金的拉伸性能急剧下降,断裂拉伸强度都在90MPa左右。

由图7可以看出Si添加RS/PM(AZ91)镁合金挤压态板材的断口主要呈现韧性断裂特征,有明显的韧窝和撕裂痕,说明三种合金的断裂方式都以韧性断裂为主,增强体Mg2Si有明显被拉断的痕迹(如图中箭头所示),且增强体与基体合金达到了完全冶金结合状态。这些高硬脆增强体Mg2Si相开裂或被拉断所释放的应力都将使扩展的裂纹转向,因而能有效的提高材料的强度,所以加Si的材料能比基体的断裂强度有一定幅度的提高。随着Si 含量的增多,断口上呈现的颗粒也明显增加,且粒径变大。由于Mg2Si是脆性相,A1合金断口上的呈现的Mg2Si颗粒明显细小,粒径都在5μm以下,而A3合金断口中呈现出较多5μm左右的Mg2Si颗粒,有的甚至接近10μm,容易导致合金的塑性变坏,拉伸性能变差。

3. 结论

采用一种新的多级快冷方法制备了微晶镁合金粉末,并运用粉末冶金方法把制备的粉末固结并挤压制备了Si添加量分别为1%、3%、5%的镁合金板材。

1. 合金挤压板材均为细小等轴晶组织。该挤压态复合材料板材中含有大量的Mg2Si增强相,且Mg2Si颗粒尺寸随着Si添加量的增加而长大。

2. Si添加相比基体的力学性能有了大幅的提升。在993K的熔炼温度下, A3合金表现出最优异的室温力学性能:其σb最高可达472.36MPa,σ0.2、δ分别达到329.76MPa、4.70%。合金的高温拉伸(473K)性能随着Si含量的增加而上升。

3. RS/PM(AZ91+Si)镁合金板材在室温拉伸时都还呈现韧性断裂特征,Si添加量为1%的合金室温断裂延伸率相比基体略有上升,随Si添加量进一步增加,其断裂延伸率下降。

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