磁场对AZ91_0_8_RE合金组织性能的影响

近十几年来，稀土元素作为主合金元素或微合金化元素，已广泛应用于镁合金领域。

Ｍｇ－ＲＥ合金具有良好的铸造性能，并且由于晶间热稳定性高的化合物存在，该类合金还具有良好的抗蠕变性能。

然而现有工艺条件下Ｍｇ－ＲＥ合金在获得较高的热强性同时，往往伴随着塑性的下降。

首先，由于ＲＥ和Ａｌ生成的脆性稀土铝化物分布在晶间，当其含量过多、形态较粗大时，会严重影响合金的塑性；其次，根据Ｈｕｎｅ－Ｒｏｔｈｅｙ固溶度准则可知，部分稀土元素在Ｍｇ基体中具有较大固溶度，并且随温度的下降固溶度变化很大，易导致合金的时效硬化［１－４］。

通过在合金凝固的过程中施加不同电磁场作用的方法，提供了改善合金组织及性能的新思路。

国内外大量研究表明直流磁场能影响合金的显微组织结构［５－１０］，然而有关磁场对Ｍｇ－ＲＥ合金组织性能影响的研究目前鲜见报道。

鉴于此，本文研究了径向直流磁场对ＡＺ９１－０．８％ＲＥ（质量分数，％，下同）合金组织性能的影响，分析其规律和作用机制，为探索磁场作用下合金凝固规律提供了新的线索和思路。

１实验方法１．１实验装置说明实验装置由３部分组成（图１）。

加热设备：功率２ｋＷ的小电炉，外壳为非铁磁性材料薄铝皮；坩埚选用内径２５ｍｍ、长１２０ｍｍ的刚玉管。

温控设备：Ｊ４０５型温控器和热电偶。

电磁设备：采用ＮＨＫ型直流电磁机提供直流磁场，所用直流电源磁场对ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金组织性能的影响李轶，程培元，华林，周鹏（武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉４３００７０）摘要：研究了直流磁场对ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金的组织和性能的影响。

结果表明，磁场作用下合金组织中α－Ｍｇ晶粒大小的均匀化程度显著提高，（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４相尺寸减小，呈细小的针状分布，但相的类型并未改变；显微组织的改善提高了镁合金综合力学性能，磁场作用下合金伸长率达到２．２％，增幅达１６％，合金的抗拉强度和屈服强度小幅提高，硬度略有下降。

磁场作用机制可能归结于磁场作用下由于电导率的差异导致溶质元素对基体镁产生了相对运动，这种运动使溶质分布更加均匀。

关键词：直流磁场；ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金；均匀化；力学性能中图分类号：ＴＧ１４６．２＋２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－３８１４（２００８）１０－００１１－０４ＥｆｆｅｃｔｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｏｎＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡＺ９１－０．８％ＲＥＡｌｌｏｙＬＩＹｉ，ＣＨＥＮＧＰｅｉｙｕａｎ，ＨＵＡＬｉｎ，ＺＨＯＵＰｅｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｒｅｃｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡＺ９１－０．８％ＲＥａｌｌｏｙｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈｏｕｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆα－Ｍｇｇｒａｉｎｓｉｚｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｕｎｄｅｒｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｃｈａｎｇｅｓｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４ｐｈａｓｅｆｒｏｍｒｏｄ－ｌｉｋｅｔｏｎｅｅｄｌｅ－ｌｉｋｅ，ｂｕｔｎｏｔｃｈａｎｇｅｉｔｓｔｙｐｅ．Ｉｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｉｎＴ６ｓｔａｔｅｉｓｕｐｔｏ２．２％，ｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１６％．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｉｎｃｒｅａｓｅ，ｂｕｔｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｃａｎｃａｕｓｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｌｕｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｗｈｉｃｈｈａｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ａｎｄｔｈｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｍａｋｅｓｓｏｌｕｔｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｏｒｅｕｎｉｆｏｒｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；ＡＺ９１－０．８％ＲＥａｌｌｏｙ；ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ收稿日期：２００７－１１－０２基金项目：高校青年教师奖项目（教人司［２００２］３８３）；武汉市科技攻关项目（２００６７００３１１１－０５）作者简介：李轶（１９８２－），男，湖北襄樊人，硕士研究生；电话：１３８７１１８１４４９；Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｙ７２３５１２＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ输出电压为０￣３００Ｖ。

利用ＣＴ３Ｔｅｓｌａ计测试，磁场在两磁极中沿径向分布，在磁场有效面积内磁感应强度（Ｂ）值保持恒定，通过单位面积的最大Ｂ值为０．６Ｔ。

１．２实验方法实验所用ＡＺ９１－０．８ＲＥ％合金由镁锭（纯度９９．９５％）、铝锭（纯度９９．７％）、锌锭（纯度９９．９５％）和Ａｌ－１０％ＲＥ中间合金（ＲＥ是含Ｃｅ５０％、Ｌａ４５％的混合稀土）配制而成。

将配比好的合金切割成合适大小，装入刚玉管中。

为防止镁合金氧化燃烧，熔炼时采用ＲＪ２熔剂保护。

电炉通电，７２０℃时将Ａｌ－１０％ＲＥ中间合金块加入到合金熔体中，保温一段时间并充分搅拌后，施加强度为０．２９Ｔ的直流磁场直至凝固。

作为对比，另一组合金试样在不施加磁场的情况下制备并保持其他实验参数不变。

合金的化学成分如表１所示。

１．３性能测试使用ＦＥＩ－ＱＵＡＮＴＡ４００扫描电镜对试样进行组织观测及相成分分析，并采用Ｄ／ＭＡＸ－ＲＢ转靶Ｘ射线衍射仪进行了物相鉴别。

晶粒尺寸和晶粒面积利用Ｉｍａｇｅｔｏｏｌ软件测定。

试样的拉伸实验和硬度测试分别在Ｗ－６０型实验机和ＨＢ３０００硬度仪上进行，其中拉伸试样为：!１０ｍｍ×５０ｍｍ；试样热处理规范：４２０℃×１６ｈ水淬，２００℃×８ｈ。

２实验结果及分析２．１铸态组织图２（ａ）、（ｂ）分别为无磁场和直流磁场条件下ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金的ＳＥＭ像。

可见，合金组织由黑色基体、沿晶界分布的白色网状或块状相和白色杆状化合物组成。

结合Ｍｇ－Ａｌ二元合金相图［１１］可知，图中网状或块状组织为β－Ｍｇ１７Ａｌ１２，基体为α－Ｍｇ。

利用能谱仪对白色杆状化合物进行了成分分析（图３），结果发现该化合物由Ａｌ、Ｃｅ、Ｌａ和少量Ｚｎ组成，不含Ｍｇ，各成分的摩尔分数为：Ｍ（Ａｌ）＝７８．５０％，Ｍ（Ｃｅ，Ｌａ）＝１９．７８％，Ｍ（Ｚｎ）＝１．７２％。

由于Ｚｎ含量很低，且在合金中仅起固溶强化作用，故不考虑Ｚｎ的影响，则该相的化学结构式可表述为（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４，也有研究结果［１２］表明该杆状相为Ａｌ１１（Ｃｅ，Ｌａ）３。

图４（ａ）、（ｂ）为无磁场和直流磁场条件下ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金的铸态显微组织。

为了研究磁场对ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金中α－Ｍｇ晶粒的影响，在金相照片上随机选取５０￣１００个晶粒，利用Ｉｍａｇｅｔｏｏｌ表１ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金的化学成分（质量分数，％）Ｔａｂ．１ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＡＺ９１－０．８％ＲＥａｌｌｏｙ（ｗｔ，％）ＡｌＺｎＣｅ，ＬａＭｎ，ＦｅＭｇ９．０１０．７８０．８＜０．２Ｂａｌ图２ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金ＳＥＭ像Ｆｉｇ．２ＴｈｅＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＡＺ９１－０．８％ＲＥａｌｌｏｙ１２５μｍ１２５μｍ（ａ）无磁场（ｂ）直流磁场图３杆状相能谱分析Ｆｉｇ．３ＥＤＳｏｆｒｏｄ－ｌｉｋｅｐｈａｓｅ（ａ）（ｂ）ＡｌＺｎＣｅＬａＣｅＣｅＣｅＬａＬａＬａＺｎＺｎＳｐｅｃｔｒｕｍ１１２３４５６７８９１０Ｅ／ｋｅＶ２５μｍＳｐｅｃｔｒｕｍ１图４ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金铸态显微组织Ｆｉｇ．４ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＡＺ９１－０．８％ＲＥａｌｌｏｙａｓ－ｃａｓｔ１００μｍ１００μｍ（ａ）无磁场（ｂ）直流磁场图１实验装置简图Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔＣｏｉｌＭａｇｎｅｔｉｃｐｏｌｅＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｕｒｎａｃｅＴｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅＣｏｒｕｎｄｕｍｔｕｂｅＭｅｌｔＢｒａｃｋｅｔ软件测量了晶粒尺寸和晶粒面积，并取算术平均值。

结果发现：施加直流磁场后平均晶粒尺寸为３８μｍ，晶粒面积为６４５μｍ２，与无磁场条件下的３９μｍ和６５８μｍ２相比，变化幅度很小，仅为２．５％和２．１％。

考虑到晶粒大小的不均匀性，进一步研究了晶粒大小的分布情况。

图５（ａ）、（ｂ）分别为α－Ｍｇ晶粒尺寸和晶粒面积分布图。

由图５（ａ）可知：无磁场时，有４８％的α－Ｍｇ晶粒尺寸为３０￣６０μｍ，有３０％的晶粒尺寸在３０μｍ以下，２２％的晶粒尺寸在６０μｍ以上。

施加直流磁场后，约有７０％的α－Ｍｇ晶粒尺寸为３０￣６０μｍ，尺寸在３０μｍ以下和６０μｍ以上的晶粒约为２０％和１０％。

由图５（ｂ）可知：无磁场时，约有５１％的α－Ｍｇ晶粒面积为４００￣８００μｍ２，有２２％的α－Ｍｇ晶粒面积在４００μｍ２以下，２７％的α－Ｍｇ晶粒面积在８００μｍ２以上。

施加直流磁场后，约有７８％的α－Ｍｇ晶粒面积为４００￣８００μｍ２，面积在４００μｍ２以下和８００μｍ２以上的α－Ｍｇ晶粒约为１０％和１２％。

由此可见，直流磁场虽然对晶粒的平均尺寸和平均面积影响不大，但能显著提高晶粒大小的均匀化程度，使晶粒大小分布趋于一致。

图６（ａ）、（ｂ）为无磁场和直流磁场时（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４相扫描电镜照片。

对比图中箭头所指（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４相可知，无磁场时（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４相较为粗大，多为短杆状。

施加直流磁场后，（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４相尺寸明显变小，呈细小的针状分布。

为了进一步研究磁场对（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４相的影响，用Ｘ射线衍射对合金进行了物相分析（图７）。

结果发现，无磁场和直流磁场条件下，只存在（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４一种新相，并没有其他亚稳相生成。

这表明直流磁场只改变了新相的形态，并未改变相的类型。

２．２力学性能表２给出了不同实验条件下合金（Ｔ６状态）的室温力学性能。

由表可知，磁场作用下合金的伸长率得到显著提高，增幅达到１６％。

合金的抗拉强度、屈服强度小幅提高，硬度略有下降。

力学性能的变化可归结为如下原因：α－Ｍｇ晶粒大小均匀化有利于提高合金整体的强度性能；（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４图６（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４相的ＳＥＭ像Ｆｉｇ．６ＴｈｅＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆ（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４ｐｈａｓｅ２５μｍ２５μｍ（ａ）无磁场（ｂ）直流磁场图５ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金中α－Ｍｇ晶粒尺寸分布（ａ）和面积分布（ｂ）Ｆｉｇ．５Ｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ａ）ａｎｄａｒｅａｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ｂ）ｏｆα－ＭｇｇｒａｉｎｉｎＡＺ９１－０．８％ＲＥａｌｌｏｙ８０６０４０２００￣３０３０￣６０６０￣４００４００￣８００８０００Ｔ０．２９Ｔ０Ｔ０．２９Ｔ８０６０４０２００Ｆｒｅｑｕｅｎｃｅ（％）Ａｖｅｒａｇｅｓｉｚｅ／μｍＡｖｅｒａｇｅａｒｅａ／μｍ２（ａ）（ｂ）Ｆｒｅｑｕｅｎｃｅ（％）图７ＡＺ９１－０．８％ＲＥ合金铸态下的Ｘ射线衍射谱Ｆｉｇ．７ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｏｆＡＺ９１－０．８％ＲＥａｌｌｏｙａｓ－ｃａｓｔα－Ｍｇ（Ｃｅ，Ｌａ）Ａｌ４β－Ｍｇ１７Ａｌ１２３０４０５０６０７０２θ／（°）Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（ａ．ｕ）相脆性较大，其尺寸减小，呈细小的针状分布有利于合金塑性的提高。