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

The Research of Organization and Phase Change of Magnesium

Alloy during Isothermal Heat Treatment

Abstract:The effect of solute diffusion and the grain boundary melting and grain merger and phase transitions on dendrite spheroidzing process is researched during the isothermal heat treatment. The results show that the grains gradually spheroidize and appear the merger phenomenon with extending the heat treatment the same time, owing to decreasing interfacial energy; the packed small liquid drop form intra - grain by the diffusion of solute atoms, There is the following phase transition: β→α,α+β→L,α→L during The semi-solid remelting.

Key words:AZ91D magnesium alloy; isothermal treatment; phase transition

1、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

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。

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10 min 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20 min时，晶粒内的小液滴变大，同时数量减少。可以看出,在20 min之前，随着保温时间的延长，晶粒逐渐长大[9]。

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。

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-Ho Chen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