镁合金热处理过程中组织与相的变化

镁合金热处理过程中组织与相的变化摘要：本文研究了AZ91D等温热处理过程中的溶质扩散、晶界熔化、晶粒合并以及相变等对枝晶球化过程的影响。结果表明:随着热处理时间的延长，晶粒逐渐球化，而且发生合并现象；同时在界面能降低的驱使下，通过溶质原子的扩散,晶粒内部包裹小液滴；半固态部分重熔过程中经历以下相变：β→α，α+β→L，α→L。关键词：AZ91D镁合金；等温处理；相变TheResearchofOrganizationandPhaseChangeofMagnesiumAlloyduringIsothermalHeatTreatmentAbstract:Theeffectofsolutediffusionandthegrainboundarymeltingandgrainmergerandphasetransitionsondendritespheroidzingprocessisresearchedduringtheisothermalheattreatment.Theresultsshowthatthegrainsgraduallyspheroidizeandappearthemergerphenomenonwithextendingtheheattreatmenttime.Atthesametime,owingtodecreasinginterfacialenergy;thepackedsmallliquiddropformintra-grainbythediffusionofsoluteatoms,Thereisthefollowingphasetransition:β→α,α+β→L,α→LduringThesemi-solidremelting.Keywords:AZ91Dmagnesiumalloy;isothermaltreatment;phasetransition1、概述镁合金是现代金属结构材料中最轻的一种，以其密度低、比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、电磁屏蔽好及价格稳定等优点，近年来在航空航天、仪器制造、国防和电子工业等领域，尤其是汽车工业中获得日益广泛的应用[1]。镁合金半固态成具有成形温度低、凝固收缩小、缺陷和偏析减少、晶粒尺寸细小、模具寿命延长等优点,被专家学者誉为21世纪新一代新兴金属加工方法。但是,要实现镁合金的半固态成型，首先必须制备初生相为颗粒的非枝晶组织合金。国内外研究者常用的枝晶粒化方法为机械搅拌法或电磁搅拌法。由于机械搅拌法的工艺参数难以控制、搅拌设备易磨损和腐蚀、不适应与高熔点合金和易氧化合金,因此该法很难在工业上推广应用；国外已将电磁搅拌法应用于生产,但该法设备投资大,工艺复杂。半固态等温热处理作为20世纪90年代开发的一种半固态枝晶组织坯料制备方法，能够在半固态成形前的二次加热过程中直接把原材料锭坯变为半固态非枝晶组织坯料，具有工艺简单、成本低廉等优点[2-3]。本文采用半固态等温热处理法,对应用最广泛的AZ91D铸造镁合金进行了研究,观察了其在半固态等温热处理中的组织和相的变化。2．镁合金热处理过程分析2.1铸太组织AZ91D镁合金初生相α相(灰色)以树枝晶形态存在，沿α相不连续分布的白色组织为(α+β)共晶组织。2.2组织形貌变化随着保温时间的延长，铸态组织中的枝晶臂逐渐消失,由不规则形状向球状转变。晶界处的共晶组织和晶粒内部的富Al、Zn部分首先熔化，在两个晶粒间以液态薄膜形式存在，在多晶粒交界处以液态熔池形式存在，而在晶粒内部则以小液滴形态存在。到10min时，液态薄膜的厚度增加，熔池的体积增大，晶粒完全被液态金属层包围,而晶粒内部开始出现小液滴，初生晶粒全变为近球状的颗粒组织。到20min时，晶粒内的小液滴变大，同时数量减少。可以看出,在20min之前，随着保温时间的延长，晶粒逐渐长大[9]。2.3溶质原子扩散溶质原子的扩散行为在加热过程中可分为两个阶[4]：在温度升至共晶点温度之前，属于均质化扩散；当温度达到共晶点时，共晶化合物开始融化，周围的溶质原子向液态共晶化合物中富集，融化区域扩大，但是邻近区域成为溶质贫化区，这些区域的熔点升高，如果继续熔化,就必须升高温度。在加热温度升至固相线温度前，只有富Al的共晶组织熔化，在多个晶粒交界处形成熔池,同时晶粒内部那些富Al、Zn的小质点开始熔化。在温度升至固相线后的保温过程中，随着时间的推移,在界面能最小化的驱动下，晶粒内熔化的小质点通过溶质原子的扩散合并成小液滴，或向晶界处液态中扩散而消失。2.4枝晶组织球化分析枝晶组织球化过程包括二次枝晶臂消失、脱落、枝晶沉淀以及Ostwald熟化过程。T.Z.Kattamis，J.J.Reeves、Kuang-HoChen等人先后对二次枝晶臂粗化进行了研究，并分别提出了二次枝晶臂粗化的四种物理模型：径向融化模型、颈缩熔断模型、轴向融化模型与枝晶合并模型。在枝晶生长过程中，二次枝晶臂由于他们的曲率不同，会造成各枝晶臂附近液相内的溶质浓度的差别，枝晶曲率半径越小，附近液相溶质浓度越低，这样溶质浓度梯度的存在将促使溶质从粗枝处向细枝处扩散，造成细枝熔化和粗枝变粗。因此，在固、液两相区停留的时间愈长,上述过程进行的愈充分，枝晶球化愈明显。随着保温时间的延长，晶粒由等轴晶→枝晶熔断→分裂成块状→球化。对于镁合金半固态保温过程中组织的球化，可认为当组织中固相体积一定时，只有成球状或近球形才具有最小的表面能，所以从表面能较高的星状向球状转化，使系统的自由能下降，这是一个热力学自发过程，等轴晶组织能否球化，主要取决于原子的扩散。当在两相区保温时，使原子具有足够的动力学条件发生聚集球化。2.5晶粒合并分析固-液界面的形态总是力图使界面吉布斯自由能最低，这样的形态才最稳定。在等温热处理过程中，组织变化的驱动力是体系自由能(表面能)的降低[5]。等温热处理过程中晶粒间表面能降低的方式有两种：(1)通过晶粒间的相对旋转，减小晶粒间的取向误差,减小晶界面积；(2)晶界迁移来增大二面角。通常等温热处理过程中，由于半固态金属的流动性差，通过晶粒旋转来降低界面能很困难，只能发生大晶粒吞噬小晶粒长大。随着时间的延长,晶粒发生合并。在等温热处理过程中，处于液固两相区内的合金铸态组织发生了次枝晶臂消失，固相颗粒发生Ostwald熟化以及合并现象，熟化和合并贯穿整个过程，只是熟化在早期占据着主要位置,随着时间的延长，合并又成了主要现象。2.6液相变化分析热处理过程中液相以液态薄膜、熔池和晶内小液滴三种形式存在。在形成液固相组织时，液相侵蚀晶界，形成包裹固相的液层。但在固相体积分数极高的情况下，两固相颗粒间一般不能通过合并来降低界面能；同时，固相颗粒与熔池界面处的半径远小于与液态薄膜界面处的半径，从而产生曲率差效应;在这两种因素的综合作用下，根据Gibbs-Thomson效应[6]可知：当晶粒的局部半径趋于无限大时，其吉布斯自由能趋于最小，与液态薄膜接触的固相界面尽可能地发展成平面，从而在二维平面上薄膜以直线向熔池中推进，形成直线形貌的淬火共晶组织。随着热处理加热时间的延长，液相体积增加和晶粒熟化，薄膜形状成为圆弧形，形成以大量液相为基体，球形颗粒分散其中的半固态浆料。在半固态加工的后序成形过程中，液相的多少决定了合金浆料的流动性[7-8]，从而决定充型速度和充型压力，晶内小液滴的多少对合金铸件的成形性能有着很大影响。小液滴的形成有三种原因：(1)晶粒在凝固过程中吞没的富Al杂质或晶内偏析造成的，低熔点富Al质点经过熔化、扩散、合并形成较大液滴，而位于晶粒边部质点通过溶质原子扩散到液相组织中而消失，两者都促进了小液滴的数目减少；(2)等温热处理初期处于熔化与合并的动态平衡中，枝晶臂间发生合并衔接，而枝晶根部未扩散完的低熔点共晶组织发生熔化，形成晶内液池；(3)在次枝晶臂缩颈熔断后原位沉淀在主干上发生熟化过程中形成的，二次枝晶臂在主干上沉淀时发生搭桥现象，在熟化过程中形成晶粒内包裹液滴。2.7相变分析组织的变化是由相变引起的，为了更好地解释镁合金组织的演变过程，通过相的变化来分析该过程。重熔是凝固的反过程，由于Mg-Al-Zn三元相只有在Zn与Al的质量比大于1/3时才会形成，因此对于AZ91D合金而言，可不考虑少量Zn对AZ91D相图的影响[5]，可以根据Mg-Al二元相图分析AZ91D镁合金在熔化过程中的组织演变。从相图可以看出半固态部分重熔过程中势必经历以下相变：β→α，α+β→L，α→L。图1Mg-Al二元合金富镁相图图2AZ91D镁合金在580℃加热不同时间后的XRD图谱AZ91D镁合金组织由富镁相α相和沿α相不连续分布的(α+β)共晶相组成。图2所示为AZ91D镁合金在580℃加热不同时间后的X射线衍射谱。可以看出，在加热初期，因进行β→α的相变，使β相的量减少，而α相的量增加。因β→α相变使晶界处共晶组织中的β相向晶内扩散，一方面造成晶粒晶界的减少和晶粒的合并，另一方面使初生α相中的Al含量增加，β相中的Al含量减少。因加热初期，试样温度升高很快而引发相变α+β→L，使β相的量减少。α+β→L相变使未来得及扩散的共晶组织开始熔化，造成大块状组织分离，同时α相中的Al含量增加，β相中的Al含量减少。随着加热时间的延长，因进行α+β→L的相变，使液相量增加，大块状组织全部分离成相互独立的多边形颗粒。随着加热时间的继续延长和试样温度的升高，从而引发α→L相变，使α相中的Al含量略微减少，β相中的Al含量略有增加，α→L相变使多边形晶粒的凸棱熔化而发生球化，直至体系达到固-液相平衡态。3结论(1)随着保温时间的延长，晶粒由等轴晶→枝晶熔断→分裂成块状→球化。(2)在等温热处理过程中晶界处共晶首先熔化，随着热处理温度的上升，在两固相颗粒间的液态薄膜逐渐包裹了固相颗粒，形成固相颗粒分散在液态基体中的半固态浆料。(3)半固态部分重熔过程中经历以下相变：β→α，α+β→L，α→L。参考文献[1]KanekoTadataka,SuzukiMasamiAutomotiveapplicationsofmagnesiumalloys[J].MaterialsScienceForum,2003,419-422(1):67-72.[2]NicholasNH,TrichkaMR,YoungKP.ApplicationofSemi-solidMetalFormingtotheProductionofSmallComponents[A].Proceedingofthe5thInternationalConferenceonSemi-solidProcessingofAlloysandCompri-SiteS[C].ColoradoUSA,1999,6(23-25):79-85.[3]路贵民,董杰,崔建忠等.液相线半连续铸造7075Al合金二次加热与触变成形[J]金属学报,2001,37(11):1185-1188.[4]王瑞权,张大华等。镁合金在等温热处理中微观组织的研究[J].热处理技术与装备,2009,30(3):43-48.[5]李元东.AZ91D镁合金的触变成形工艺与热处理研究[D].兰州:兰州理工大学,2005:36-40[6]张小立,力廷举,腾海涛等.等温热处理过程中铸态AZ91镁合金的微观组织演化[J].铸造,2007,56(10):1048-1052.[7]FanZ.Semisolidmetalprocessing[J].InternationalMaterialsReviews,2002,47(2):49-86.[8]FlemingsMC.Behaviorofmetalalloysinthesemisolidstate[J].InternationalMaterialsReviews,2002,47(2):49-86.[9]李元东,郝远,陈体军等.铸造工艺对AZ91D镁合金半固态组织制备的影响[J].铸造技术,2004,25(12);937-940.