力学性能显著提高！Ca、Pr复合+再结晶重熔法半固态AS41镁合金

吁安山发表于2025/1/17 17:00:59 镁合金力学性能

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镁合金作为轻质金属结构材料，在航空航天、汽车、电子、医疗等行业应用广泛。Mg-Al-Si系(AS系列)耐热镁合金具有良好的铸造性、高温强度和抗蠕变性能,但铸态AS镁合金中Mg2Si增强相以粗大汉字状存在，影响AS镁合金组织结构和力学性能提升。因此，细化Mg2Si对提升Mg-Al-Si系镁合金力学性能具有积极意义。目前，众多研究者通过添加合金元素的方法改善Mg2Si相形态。元素作用机理有3类：异质形核、吸附毒化和过冷作用。改善Mg-Al-Si系镁合金中Mg2Si形态的合金元素有Zn、Sr、Ca、P、Sb和稀土(RE)等元素。Zn元素能够降低Mg2Si的初始结晶温度及增加过冷度，促进Mg2Si的形核并限制晶粒生长;Sr元素能够吸附在Mg2Si晶面上降低表面能，同时与Al形成Al4Sr相，Al4Sr相能够为Mg2Si提供异质形核核心;Ca元素能够促进CaMgSi相形成，消耗部分Si并细化Mg2Si, 但添加过量的Ca会形成粗大脆性CaMgSi相，降低合金的力学性能;Ce是表面活性元素，易吸附在Mg2Si晶面上，降低表面能并改变Mg2Si相生长方式，同时Ce与Si元素形成CeSi2作为异质形核核心，而过量的Ce会消耗更多的Si, 减少增强相Mg2Si的含量。相比于单一元素单一合金化效果，元素复合微合金化打破相图的规限，协调效应对改善Mg2Si相的形态和分布更具有研究价值，同时在Mg-Al-Si系镁合金形成含Ca相和含RE相,可以抑制低熔点相的形成，从而获得具有优异高温性能的合金。

半固态处理在改善镁合金组织方面有着重要的应用，按照工艺途径可分为液相法和固相法，由于固相法可以避免合金熔化和熔体处理过程，非常适合镁合金的半固态处理。固相法有直接半固态等温热处理、应变诱导法和再结晶重熔法，其中再结晶重熔法能够简化复杂变形所需设备条件和缩短等温热处理时间，在加热过程中发生再结晶及形成液相，液相对晶粒边界渗透，加速非枝晶的形成，属于短流程工艺。

基于此，为改善AS41镁合金组织和粗大汉字状Mg2Si相，本研究采用Ca、Pr复合微合金化和再结晶重熔法对AS41镁合金进行组织调控，进一步揭示Ca、Pr复合微合金化的作用机理和AS41镁合金再结晶重熔过程的组织演变规律，为提升Mg-Al-Si系镁合金综合力学性能提供参考。

图文结果

原材料为AS41镁合金，其具有较高的高温强度和蠕变性能，化学成分为4.1%的Al(质量分数，下同)、0.92%的Si, 余量为Mg。通过JmatPro软件计算AS41镁合金的液相线温度约为622℃,固相线温度约为567℃,固相线和液相线温度区间范围相差55℃,见图1。

图1 AS41镁合金固相分数与温度关系曲线

图2 金属型和挤压模具示意图

图3 AS41镁合金的相变化与微观组织

图4 AS41-0.4Ca-0.6Pr镁合金的相变化和微观组织

图5 铸态AS41镁合金经580℃不同保温时间下半固态微观组织

图6 铸态AS41-0.4Ca-0.6Pr镁合金经580℃不同保温时间下半固态微观组织

图7 铸态AS41和AS41-0.4Ca-0.6Pr镁合金经580 ℃不同保温时间下α-Mg相的平均晶粒尺寸和形状因子

可以看出，一方面由于Ca对液相界面迁移的阻碍作用及晶界处Al-Pr相高稳定性，延缓了α-Mg相的熔化，另一方面，延长保温时间会加速晶粒长大合并的趋势，因此随着保温时间延长，晶粒明显长大，而液相分数变化很小。当保温时间为30 min时，液相分数开始增加，大晶粒在液相的润湿作用下，开始发生分离和细化，表明铸态AS41-0.4Ca-0.6Pr合金要获得优良的半固态组织，保温时间要适当延长。可以看出，随着保温时间延长，两种合金的平均晶粒尺寸先增大后减小。对比铸态AS41和AS41-0.4Ca-0.6Pr的形状因子，发现Ca和Pr复合微合金化AS41的晶粒圆整度要高于AS41的晶粒，说明Ca和Pr复合微合金化有利于AS41中α-Mg的非枝晶转变。