固溶及时效对AZ91D镁合金性能的影响

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固溶处理对 AZ91 镁合金性能的影响 李宏艳1，冶金辉2 注册名：lihongyan0801、yejinhui1 1. 2哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司 摘要：通过 XRD 分析、金相组织观察、力学性能测试及腐蚀实验的手段，研究了固溶处理对AZ91镁合金的组织及性能的影响。结果表明，铸态 AZ91 合金中存在大量的共晶组织，其主要的第二相为β-Mg17Ali2；经过固溶处理后，共晶组织分解，残留一定的离异共晶组织，合金的综合力学性能及耐蚀性能均有所提高；合金合理的固溶制度为390℃保温12h。 关键词：AZ91，固溶，时效，腐蚀，力学性能 Abstract： It is found that solution treatment is effect on the microstructure and properties ofMg-base alloy (AZ91) by the method of XRD analysis， microstructure， mechanical properties andcorrosion test. The test results are shown as follows： Abundant eutectic structure exists in theAZ91 alloy as-cast， the main second phase is B-Mg17Al12. After solution treating， the eutecticstructure breaks up and remains some aberration eutectic structure， both complex properties andcorrosion resistance are increasing. The solution treatment process is 390℃ and holding 2 hours. Key words： AZ91， solution treatment， aging， corrosion， mechanical properties 镁合金作为最轻的结构材料越来越多的应用于航空航天等领域。按照成形方式不同，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，普通铸造镁合金由于其工艺相对简单，成本相对低廉，应用较为广泛，因此其发展要由于变形镁合金。铸造镁合金由于其内部容易出现空洞夹杂等铸造缺陷，其强度及耐蚀性能较差。常规提高铸造镁合金强度的方法有合金化及热处理，合金化带来的成本提高对于相关用户十分敏感，因此，在不添加辅助元素的前提下，利用成熟牌号自身合金元素的特性，提高合金耐蚀性及强度，是目前研究的一个主要方向。AZ91作为最为成熟铸造镁合金之一，其相关的研究及应用已经非常广泛，由其衍生而来的合金也有一定的应用背景，因此，研究热处理技术对AZ91 合金性能的影响，可以为扩大该合金的应用提供更多的理论依据及试验数据。 1实验： 本实验所选镁合金为商用压铸 AZ91D 镁合金，重熔后经重力铸造成为目标合金，成分如表1所示。 表1AZ91合金成分(wt%) Alloy Al Zn Mn 杂质 Mg AZ91 9.0 0.6 0.15 ≤0.04 Balance 图1铸造AZ91镁合金升温 DSC 曲线 图1为AZ91 镁合金升温 DSC 曲线，低熔点相起始熔化温度为426.6℃，根据经验公式T固溶=0.9-0.95Tml121，合金的固溶温度不应高于400℃，最终的固溶温度定为360℃，375℃及390℃，保温时间最长不超过 24h。合金的硬度测试在 HBS-62.5型小负荷布氏硬度计上进行，加载时间为30s，重复5次取平均值。在岛津试验机上测定材料的常温力学性能，速度为2mm/min。在RST5200 电化学工作站上测量合金的极化曲线，参比电极为甘汞电极，介质为3.5%NaCl溶液，测试温度为室温。在 CarlZeiss Axiovet 2000MAT 金相显微镜下进行金相组织观察。利用扫面电镜对合金微区成分、断口及腐蚀面进行研究。 2结果与分析 2.1铸态合金 图2为铸态 AZ91 镁合金显微组织及 XRD 图谱。可见，合金主要由α-Mg 基体和骨骼状的共晶组织构成(图2-a)，合金在凝固过程中，溶质原子在凝固前沿富集，当达到共晶点成分时，便与基体交替凝固形成共晶组织。从 XRD 图谱中可知(图2-b)，合金中主要的第二相为B-Mg17Al12，该相的初始溶解温度为427℃， 与 DSC 曲线相近， 可知， DSC 曲线中低熔点吸热峰主要为-Mg17Ali2相分解产生的。 图2铸态AZ91合合显微组织及 XRD 分析 2.2合金固溶处理 合金经过固溶后的硬度如图3所示。可见，在相同的温度下，随着时间的延长，合金的硬度首先下降，然后趋于平衡，没有明显的上升，即从硬度的角度来看，没有显著的固溶强化效果；在相同的时间内，合金的硬度随着温度的提高而下降。合金在凝固过程中往往存在一定的铸造应力，当合金开始进行固溶处理后，铸造应力随之释放，硬度明显下降，同时，在一定温度下，合金的共晶组织发生分解，溶质原子回溶于基体中，形成代位固溶体，造成晶格畸变，提高了位错运动的难度，增强了合金的强度；合金的晶粒尺寸也会随着固溶温度的提高明显长大，由 Hall-Petch 关系可知，镁合金的强度很大程度上取决于晶粒的尺寸，过大的晶粒尺寸必然导致合金强度下降。合金的硬度最终是由固溶强化及晶粒长大造成的弱化所决定的，从图中可见，弱化效果明显强于强化效果，合金的最终硬度呈下降趋势。 图3AZ91合金硬度随时间变化曲线 固溶处理对 AZ91 合金组织的影响如图4所示。可见，在360℃和375℃下经过 24h处理后，仍存在大量未溶解的第二相，说明在上述两温度下温度较低；在390℃时，经过 12h后，第二相分解较多，但仍然存在一定量的未分解相，经过24h处理后，合金的第二相分解量没有明显增加。Mg-Al合金中，常存在两种共晶类型， -类是离异共晶，另外-一类是层状 共晶，从金相中可见，未分解的第二相主要是离异共晶中的第二相，此种第二相不发生分解的主要原因可能是溶质原子呈聚集状，较层状共晶而言没有能产生互扩散的途径，因此分解较难。从硬度及金相来看，本试验合金在390℃保温 12h 后已经达到了该条件下的极限固溶能力，因此可作为此种合金的固溶制度。 图4固溶处理对AZ91合金组织影响 2.3合金力学性能 固溶前后合金的力学性能如图5所示。可见，铸态合金的力学性能较低，，平均断裂强度仅有145MPa，平均延伸率只有3.5%；而经过固溶处理后，合金的平均断裂强度提高至180MPa，而延伸率也提高至6.0%。合金强度的提高有可能有两因素在起作用，一方面是固溶强化的效果，另外一方面是合金中的凝固偏析减少使得应力集中点减少，提高了晶粒间的协调变形能力，最终提高了合金的综合力学性能；同时由于经过固溶处理后，合金的晶粒尺寸明显长大，合金将被弱化，结合合金硬度结果及前期试验的结果可知【A】，，固溶强化效果在提高合金强度的作用要低于凝固偏析消除带来的合金协调变形能力提高的作用，即共晶组织分解，使得合金的裂纹源减少，提高合金的力学性能。 图5合金的力学性能 2.4合金耐蚀性能 固溶处理对 AZ91 合金的电极电位的影响如图6所示。可见，当温度一定，随着固溶时间的增加，合金的电极电位向正电位方向移动，说明合金的耐蚀性能提高；当时间一定，合金的电极电位随着固溶温度的提高而增加。电极电位的增加说明合金的耐蚀性增强。 图6固溶处理对AZ91 合金电极电位的影响 镁合金在空气中形成的氧化膜是不完整的，本身不耐蚀，同时，铸态镁合金由于其共晶组织较多，发生原电池反应的地点也较多，因此加剧了合金的腐蚀速率，另外，由于腐蚀介质中的 Cl离子体积较小，容易穿过合金的表面氧化膜，破坏了本来就不完整的氧化膜，加速腐蚀。经过固溶处理后，合金中的共晶组织减少，发生原电池的地点减少，合金的耐蚀性提高，同时，由于合金中固溶进铝原子，铝形成的氧化膜是致密的，可以有效提高合金的耐蚀性，从实验结果可知，合金的固溶程度决定了其耐蚀性，固溶程度越高，合金的耐蚀性能越强，比较可知，当固溶温度为390℃时，经过12h和经过24h 固溶处理，其电极电位差别不大，可见，合理的固溶制度为390℃保温 12h。 3结论 (1)铸态 AZ91 合金主要由α-Mg基体和骨骼状的共晶组织构成，其主要的第二相为 B-Mg17Ali2。 (2)经过固溶处理后，合金的共晶组织分解，残留了一定量的离异共晶组织；合金的硬度受固溶温度及时间的影响，当温度一定时，硬度随着时间先下降，然后趋于平衡；当时间一定后，合金的硬度随着固溶温度的提高而下降。 (3)经过固溶处理后，合金的综合力学性能提高，断裂强度达到180MPa， 而延伸率达到了6%，同时合金的耐蚀性能也相应提高，共晶组织分解，原电池发生地点减少是其提高的最主要原因，合金合理的固溶制度为390℃，保温 12h。 ( 参考文献 ) 【A】马鸣龙，张奎，李兴刚，等.GWN751K镁合金均匀化热处理[J].中国有色金属学报，2010，20(1)：1-9