镁合金热处理过程中组织与相的变化

1、PAGE 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：， +L，L。关键词：AZ91D镁合金；等温处理；相变The Research of Organization and Phase Change of Magnesium Alloy during Isothermal Heat TreatmentAbsttracct: Thee efff

2、ecct oof ssoluute difffussionn annd tthe graain bouundaary melltinng aandggraiinmeergeer aand phaase traansiitioons on denndriite sphherooidzzingg prroceess is ressearrcheed dduriing thee issothhermmal heaat ttreaatmeent. Thhe rresuultss shhow thaat tthe graainss grraduuallly sspheeroiidizzeannd aap

3、peear thee meergeer pphennomeenonnwitth eexteendiing thee heeat treeatmmentt tiime.At thee saame timme, owiing to deccreaasinng iinteerfaaciaal eenerrgy; thhepaackeed ssmalll lliquuid droop fformm inntraa - graain by thee diiffuusioon oof ssoluute atooms, Thheree iss thhe ffolllowiing phaasettrannsi

4、ttionn: ,+L,L durringg Thhe ssemii-soolidd reemelltinng.Key worrds:AZ991D maggnessiumm allloyy; iisottherrmall trreattmennt; phaasettrannsittionn1、概述述镁合金是是现代金金属结构构材料中中最轻的的一种，以其密密度低、比强度度和比刚刚度高、尺寸稳稳定性好好、电磁磁屏蔽好好及价格格稳定等等优点，近年来来在航空空航天、仪器制制造、国国防和电电子工业业等领域域，尤其是是汽车工工业中获获得日益益广泛的的应用1。镁合金半半固态成成具有成成形温度度低、凝凝固收缩缩

5、小、缺缺陷和偏偏析减少少、晶粒粒尺寸细细小、模模具寿命命延长等等优点,被专家家学者誉誉为211世纪新新一代新新兴金属属加工方方法。但但是,要实现现镁合金金的半固固态成型型，首先必必须制备备初生相相为颗粒粒的非枝枝晶组织织合金。国内外外研究者者常用的的枝晶粒粒化方法法为机械械搅拌法法或电磁磁搅拌法法。由于于机械搅搅拌法的的工艺参参数难以以控制、搅拌设设备易磨磨损和腐腐蚀、不不适应与与高熔点点合金和和易氧化化合金,因此该该法很难难在工业业上推广广应用；国外已已将电磁磁搅拌法法应用于于生产,但该法法设备投投资大,工艺复复杂。半半固态等等温热处处理作为为20世纪纪90年代代开发的的一种半半固态枝枝晶组

6、织织坯料制制备方法法，能够在在半固态态成形前前的二次次加热过过程中直直接把原原材料锭锭坯变为为半固态态非枝晶晶组织坯坯料，具有工工艺简单单、成本本低廉等等优点2-33。本文采采用半固固态等温温热处理理法, 对应用用最广泛泛的AZZ91DD铸造镁镁合金进进行了研研究, 观察了了其在半半固态等等温热处处理中的的组织和和相的变变化。2镁合合金热处处理过程程分析2.1铸铸太组织织AZ911D 镁镁合金初初生相相(灰色)以树枝枝晶形态态存在，沿相不连连续分布布的白色色组织为为(+)共晶组组织。2.2组组织形貌貌变化随着保温温时间的的延长，铸态组组织中的的枝晶臂臂逐渐消消失,由不规规则形状状向球状状转变。

7、晶界处处的共晶晶组织和和晶粒内内部的富富Al、Zn部分分首先熔熔化，在两个个晶粒间间以液态态薄膜形形式存在在，在多晶晶粒交界界处以液液态熔池池形式存存在，而在晶晶粒内部部则以小小液滴形形态存在在。到110 mmin时时，液态薄薄膜的厚厚度增加加，熔池的的体积增增大，晶粒完完全被液液态金属属层包围围,而晶粒粒内部开开始出现现小液滴滴，初生晶晶粒全变变为近球球状的颗颗粒组织织。到220 mmin时时，晶粒内内的小液液滴变大大，同时数数量减少少。可以以看出,在20 minn之前，随着保保温时间间的延长长，晶粒逐逐渐长大大9。2.3溶质原原子扩散散溶质原子子的扩散散行为在在加热过过程中可可分为两两个阶

8、4：在温度度升至共共晶点温温度之前前，属于均均质化扩扩散；当温度度达到共共晶点时时，共晶化化合物开开始融化化，周围的的溶质原原子向液液态共晶晶化合物物中富集集，融化区区域扩大大，但是邻邻近区域域成为溶溶质贫化化区，这些区区域的熔熔点升高高，如果继继续熔化化,就必须须升高温温度。在在加热温温度升至至固相线线温度前前，只有富富Al的共共晶组织织熔化，在多个个晶粒交交界处形形成熔池池,同时晶晶粒内部部那些富富Al、Zn的小小质点开开始熔化化。在温温度升至至固相线线后的保保温过程程中，随着时时间的推推移,在界面面能最小小化的驱驱动下，晶粒内内熔化的的小质点点通过溶溶质原子子的扩散散合并成成小液滴滴，或

9、向晶晶界处液液态中扩扩散而消消失。2.4枝晶组组织球化化分析枝晶组织织球化过过程包括括二次枝枝晶臂消消失、脱脱落、枝枝晶沉淀淀以及OOstwwaldd 熟化化过程。T. Z. Katttammis，J. J. Reeevess、Kuaang-Ho Cheen等人人先后对对二次枝枝晶臂粗粗化进行行了研究究，并分别别提出了了二次枝枝晶臂粗粗化的四四种物理理模型：径向融融化模型型、颈缩缩熔断模模型、轴轴向融化化模型与与枝晶合合并模型型。在枝枝晶生长长过程中中，二次枝枝晶臂由由于他们们的曲率率不同，会造成成各枝晶晶臂附近近液相内内的溶质质浓度的的差别，枝晶曲曲率半径径越小，附近液液相溶质质浓度越越低，

10、这样溶溶质浓度度梯度的的存在将将促使溶溶质从粗粗枝处向向细枝处处扩散，造成细细枝熔化化和粗枝枝变粗。因此，在固、液两相相区停留留的时间间愈长,上述过过程进行行的愈充充分，枝晶球球化愈明明显。随随着保温温时间的的延长，晶粒由由等轴晶晶枝晶熔熔断分裂成成块状球化。对于镁镁合金半半固态保保温过程程中组织织的球化化，可认为为当组织织中固相相体积一一定时，只有成成球状或或近球形形才具有有最小的的表面能能，所以从从表面能能较高的的星状向向球状转转化，使系统统的自由由能下降降，这是一一个热力力学自发发过程，等轴晶晶组织能能否球化化，主要取取决于原原子的扩扩散。当当在两相相区保温温时，使原子子具有足足够的动动

11、力学条条件发生生聚集球球化。2. 55晶粒粒合并分分析固-液界界面的形形态总是是力图使使界面吉吉布斯自自由能最最低，这样的的形态才才最稳定定。在等等温热处处理过程程中，组织变变化的驱驱动力是是体系自自由能(表面能能)的降低低5。等温温热处理理过程中中晶粒间间表面能能降低的的方式有有两种：(1)通过晶晶粒间的的相对旋旋转，减小晶晶粒间的的取向误误差,减小晶晶界面积积；(2)晶界迁迁移来增增大二面面角。通通常等温温热处理理过程中中，由于半半固态金金属的流流动性差差，通过晶晶粒旋转转来降低低界面能能很困难难，只能发发生大晶晶粒吞噬噬小晶粒粒长大。随着时时间的延延长,晶粒发发生合并并。在等等温热处处理

12、过程程中，处于液液固两相相区内的的合金铸铸态组织织发生了了次枝晶晶臂消失失，固相颗颗粒发生生Osttwalld熟化化以及合合并现象象，熟化和和合并贯贯穿整个个过程，只是熟熟化在早早期占据据着主要要位置,随着时时间的延延长，合并又又成了主主要现象象。2. 66液相相变化分分析热处理过过程中液液相以液液态薄膜膜、熔池池和晶内内小液滴滴三种形形式存在在。在形形成液固固相组织织时，液相侵侵蚀晶界界，形成包包裹固相相的液层层。但在在固相体体积分数数极高的的情况下下，两固相相颗粒间间一般不不能通过过合并来来降低界界面能；同时，固相颗颗粒与熔熔池界面面处的半半径远小小于与液液态薄膜膜界面处处的半径径，从而产

13、产生曲率率差效应应;在这两两种因素素的综合合作用下下，根据Giibbss-Thhomsson效效应66可知知：当晶粒粒的局部部半径趋趋于无限限大时，其吉布布斯自由由能趋于于最小，与液态态薄膜接接触的固固相界面面尽可能能地发展展成平面面，从而在在二维平平面上薄薄膜以直直线向熔熔池中推推进，形成直直线形貌貌的淬火火共晶组组织。随随着热处处理加热热时间的的延长，液相体体积增加加和晶粒粒熟化，薄膜形形状成为为圆弧形形，形成以以大量液液相为基基体，球形颗颗粒分散散其中的的半固态态浆料。在半固固态加工工的后序序成形过过程中，液相的的多少决决定了合合金浆料料的流动动性77-8，从而决决定充型型速度和和充型压

14、压力，晶内小小液滴的的多少对对合金铸铸件的成成形性能能有着很很大影响响。小液液滴的形形成有三三种原因因：(1)晶粒在在凝固过过程中吞吞没的富富Al杂质质或晶内内偏析造造成的，低熔点点富All质点经经过熔化化、扩散散、合并并形成较较大液滴滴，而位于于晶粒边边部质点点通过溶溶质原子子扩散到到液相组组织中而而消失，两者都都促进了了小液滴滴的数目目减少；(2)等温热热处理初初期处于于熔化与与合并的的动态平平衡中，枝晶臂臂间发生生合并衔衔接，而枝晶晶根部未未扩散完完的低熔熔点共晶晶组织发发生熔化化，形成晶晶内液池池；(3)在次枝枝晶臂缩缩颈熔断断后原位位沉淀在在主干上上发生熟熟化过程程中形成成的，二次枝

15、枝晶臂在在主干上上沉淀时时发生搭搭桥现象象，在熟化化过程中中形成晶晶粒内包包裹液滴滴。2. 77相变变分析组织的变变化是由由相变引引起的，为了更更好地解解释镁合合金组织织的演变变过程，通过相相的变化化来分析析该过程程。重熔熔是凝固固的反过过程，由于Mgg-Al-Zn三元元相只有有在Znn与Al的质质量比大大于1 /3时时才会形形成，因此对对于AZZ91DD合金而而言，可不考考虑少量量Zn对AZ991D相相图的影影响55，可以根根据Mgg-Al二元元相图分分析AZZ91DD镁合金金在熔化化过程中中的组织织演变。从相图图可以看看出半固固态部分分重熔过过程中势势必经历历以下相相变：，+L，L。图1

16、MMg-Al二元元合金富富镁相图图图2 AAZ911D镁合合金在5580加热不不同时间间后的XXRD图图谱AZ911D镁合合金组织织由富镁镁相相和沿沿相不连连续分布布的(+)共晶相相组成。图2所示为为AZ991D镁镁合金在在5800加热不不同时间间后的XX射线衍衍射谱。可以看看出，在加热热初期，因进行行的相变变，使相的量量减少，而相的量量增加。因相变变使晶界界处共晶晶组织中中的相向晶晶内扩散散，一方面面造成晶晶粒晶界界的减少少和晶粒粒的合并并，另一方方面使初初生相中的的Al含量量增加，相中的的Al含量量减少。因加热热初期，试样温温度升高高很快而而引发相相变+L，使相的量量减少。+L相变使使未来

17、得得及扩散散的共晶晶组织开开始熔化化，造成大大块状组组织分离离，同时相中的的Al含量量增加，相中的的Al含量量减少。随着加加热时间间的延长长，因进行行+L的相变变，使液相相量增加加，大块状状组织全全部分离离成相互互独立的的多边形形颗粒。随着加加热时间间的继续续延长和和试样温温度的升升高，从而引引发L相变，使相中的的Al含量量略微减减少，相中的的Al含量量略有增增加，L相变使使多边形形晶粒的的凸棱熔熔化而发发生球化化，直至体体系达到到固-液相平平衡态。3 结论论(1)随随着保温温时间的的延长，晶粒由由等轴晶晶枝晶熔熔断分裂成成块状球化。(2)在在等温热热处理过过程中晶晶界处共共晶首先先熔化，随着

18、热热处理温温度的上上升，在两固固相颗粒粒间的液液态薄膜膜逐渐包包裹了固固相颗粒粒，形成固固相颗粒粒分散在在液态基基体中的的半固态态浆料。(3)半半固态部部分重熔熔过程中中经历以以下相变变：，+L，L。参考文献献1 Kannekoo Taadattakaa,SuzzukiiMassamiiAuttomootivve aappllicaatioonsoof mmagnnesiium allloyss JJ. Matteriialss Scciennce Forrum,20003,4199-4222(11):667 - 722.2 NicchollasNN H, TrrichhkaMM R,Youu

19、ng K PP. AAppllicaatioon oofSeemi-sollid Mettal Forrminng tto tthe Prooducctioon oof SSmalllCoompoonennts A. PProcceeddingg off thhe 55th Intternnatiionaal CConffereencee onn Seemi-sollid Proocesssinng oof AAllooys andd Coomprri-SitteSC. CoolorradooUSAA, 19999, 6(23-25): 779-885.3 路贵民民,董杰,崔建忠忠等. 液相线线半连