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。就2.5蹦晶粒合并绳分析昌固丰-裂液界面的形堆态总是力图朝使界面吉布纷斯自由能最糟低竭，窝这样的形态疲才最稳定。绳在等温热处螺理过程中奉，良组织变化的赶驱动力是体剑系自由能喊(筝表面能院)而的降低欺[5碌]循。等温热处误理过程中晶壶粒间表面能月降低的方式蜂有两种苏：蜜(1)裹通过晶粒间守的相对旋转萍，鸽减小晶粒间悄的取向误差馆,朝减小晶界面孔积蹲；仓(2)症晶界迁移来减增大二面角滤。通常等温犬热处理过程误中醒，零由于半固态姐金属的流动锐性差胃，妹通过晶粒旋慰转来降低界耐面能很困难餐，花只能发生大睛晶粒吞噬小禾晶粒长大。蜓随着时间的登延长绣,童晶粒发生合聪并。在等温得热处理过程渴中零，污处于液固两庸相区内的合塘金铸态组织剪发生了次枝立晶臂消失乏，腐固相颗粒发趁生这Ostwa前ld咏熟化以及合烤并现象踢，健熟化和合并夜贯穿整个过利程路，痛只是熟化在醋早期占据着联主要位置蜓,侨随着时间的姓延长晋，育合并又成了湿主要现象。序2.6侵液相变化批分析送热处理过程瓜中液相以液凑态薄膜、熔析池和晶内小仰液滴三种形挎式存在。在腔形成液固相戴组织时雾，裁液相侵蚀晶明界铲，详形成包裹固邀相的液层。美但在固相体拦积分数极高采的情况下膨，文两固相颗粒亮间一般不能纷通过合并来细降低界面能激；仰同时何，犹固相颗粒与悉熔池界面处合的半径远小贞于与液态薄丽膜界面处的情半径打，牌从而产生曲鸣率差效应赖;管在这两种因屈素的综合作趣用下货，烦根据膀Gib粒bs-速Thoms可on顽效应臂[6]爹可知遣：愈当晶粒的局务部半径趋于碎无限大时忆，端其吉布斯自吸由能趋于最辫小狐，乡与液态薄膜乔接触的固相忘界面尽可能恢地发展成平付面密，悉从而在二维查平面上薄膜谣以直线向熔锹池中推进晨，公形成直线形搬貌的淬火共怜晶组织。随孟着热处理加听热时间的延瓦长穗，袖液相体积增层加和晶粒熟释化土，担薄膜形状成宫为圆弧形程，筛形成以大量蜻液相为基体碑，械球形颗粒分逐散其中的半糠固态浆料。姿在半固态加泊工的后序成您形过程中事，缓液相的多少异决定了合金泡浆料的流动座性毙[7-8]什，沸从而决定充龙型速度和充简型压力浊，挂晶内小液滴萄的多少对合税金铸件的成熟形性能有着绘很大影响。烘小液滴的形舞成有三种原冤因底：出(1)呢晶粒在凝固万过程中吞没蚁的富撞Al彩杂质或晶内到偏析造成的款，雷低熔点富酷Al剩质点经过熔丽化、扩散、贴合并形成较说大液滴芽，忽而位于晶粒稍边部质点通域过溶质原子摘扩散到液相杯组织中而消梯失瘦，凯两者都促进势了小液滴的丰数目减少隐；举(2)犹等温热处理狼初期处于熔绝化与合并的狡动态平衡中蜓，弹枝晶臂间发廉生合并衔接妥，匪而枝晶根部坚未扩散完的巾低熔点共晶仙组织发生熔屋化馒，竟形成晶内液奇池挂；运(3)险在次枝晶臂阳缩颈熔断后材原位沉淀在兄主干上发生紧熟化过程中圾形成的延，彩二次枝晶臂降在主干上沉宋淀时发生搭彼桥现象膊，吨在熟化过程贱中形成晶粒毛内包裹液滴饮。苗2.7翁相变分析怖组织的变化劫是由相变引深起的呜，妇为了更好地餐解释镁合金毯组织的演变园过程碗，依通过相的变蜓化来分析该位过程。重熔苦是凝固的反份过程芬，职由于疾Mg萝-恋Al搁-替Zn谣三元相只有泼在姨Zn铜与推Al醉的质量比大糕于巧1/3鲁时才会形成赌，牧因此对于寇AZ91D剧合金而言闯，汗可不考虑少掉量群Zn微对线AZ91D蜻相图的影响永[5]灿，奔可以根据乓Mg垂-镜Al跃二元相图分汇析慢AZ91D催镁合金在熔卷化过程中的外组织演变。统从相图可以废看出半固态毙部分重熔过泽程中势必经艰历以下相变传：付β→α炉，凑α具+年β→停L蝶，脏α→妨L雹。暖图1玉Mg党-猫Al稍二元合金富彩镁相图帆图2奇AZ91D挠镁合金在膏580恩℃浮加热不同时究间后的谎XRD执图谱滨AZ91D猾镁合金组织醒由富镁相上α最相和沿犁α丢相不连续分世布的崇(协α锻+谱β挣)碌共晶相组成悔。图戚2滚所示为悟AZ91D甜镁合金在脆580解℃毫加热不同时撑间后的好X损射线衍射谱佣。可以看出俊，咽在加热初期州，格因进行迹β→α升的相变招，加使汪β潜相的量减少殃，平而懒α袭相的量增加视。因护β→α米相变使晶界年处共晶组织误中的酒β燕相向晶内扩善散兽，笼一方面造成招晶粒晶界的醒减少和晶粒垮的合并厌，换另一方面使兴初生赏α挎相中的甲Al葬含量增加怪，捆β牢相中的煎Al闷含量减少。盼因加热初期殊，宜试样温度升桶高很快而引郑发相变怪α严+脑β→朱L续，点使弊β粘相的量减少唐。浴α升+歌β→火L界相变使未来哗得及扩散的喉共晶组织开狱始熔化弊，烂造成大块状壁组织分离秆，锣同时阿α称相中的搏Al次含量增加菜，穴β酱相中的汤Al妨含量减少。勺随着加热时淡间的延长晶，访因进行短α期+樱β→六L讨的相变肌，仿使液相量增者加念，狗大块状组织谷全部分离成宿相互独立的缴多边形颗粒士。冰随着加热时害间的继续延滥长和试样温限度的升高拴，阳从而引发铁α→手L沾相变宁，筒使捡α他相中的慎Al箱含量略微减气少练，汗β锅相中的威Al咳含量略有增凝加朵，循α→踏L妹相变使多边顽形晶粒的凸缸棱熔化而发刺生球化井，蝴直至体系达攀到固希-阶液相平衡态喇。3结论巡(1)妻随着保温时帅间的延长唱，拦晶粒由等轴伶晶烂→剪枝晶熔断南→闸分裂成块状铺→砖球化。花(2)匪在等温热处殃理过程中晶雁界处共晶首幸先熔化台，愚随着热处理朋温度的上升边，贫在两固相颗祥粒间的液态衬薄膜逐渐包纳裹了固相颗超粒旬，抱形成固相颗霜粒分散在液裂态基体中的其半固态浆料茶。盖(3)伸半固态部分锹重熔过程中耻经历以下相楼变章：突β→α废，合α件+买β→奉L脾，线α→粪L考。参考文献秧[1砖]Kan济ekoT亲adata馒ka暗,摧Suzuk眠i广Masam扣i弱Autom熟otive漠appl倦icati央ons动ofma狭gnesi助umal浑loys竭[J].怕Mater雷ials功Scien沙ceFo该rum量,炭2003弯,纪419-4渣22(1)竖:象67-败72.宗[2蔽]Nic益holas丈NH统,济Tric器hka健MR,占Young全KP.型Appl雾icati挪onof谦Semi-停solid藏Meta瓶lFor绝ming皂toth饮e虹Produ外ction斯ofS足mall趴Compo颠nents牛[A].我Proc罢eedin惧gof源the5概thIn氧terna啊tiona贼lCon御fere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