原标题：固溶处理温度对ZXAQ3110镁合金组织及性能的影响

镁合金因其密度小、强度高、弹性模量大、散热好、消振性好、承受冲击载荷能力强、耐有机物和碱腐蚀等特点，受到研究者的广泛关注。镁合金的应用不仅满足了社会对节约能源和环境保护的要求，同时也为各行业带来了新的发展机遇。然而，镁合金也存在一些缺点，如强度较低、耐磨性能和加工性能不佳等，这些缺点限制了镁合金的进一步应用。因此，开发高性能镁合金体系和新型的镁合金加工工艺成为了一个重要的研究方面。高性能镁合金体系的开发是通过向镁合金基体中引入不同的合金元素来提升镁合金的强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能，从而满足更加严苛的应用环境和使用要求。可以通过添加特种合金元素、优化合金成分、改进合金制备工艺等来提高镁合金的性能。此外，应用新型加工方法制造镁合金也是提高其性能和产品品质的重要方式。目前常用的镁合金成形技术有半固态铸造、挤压铸造、压铸、重力铸造和低压铸造等。

热处理可有效调控镁合金中第二相的形状、尺寸和分布，因此其对镁合金的力学性能起着十分重要的作用。研究者研究了退火、T4和T6热处理对ZWK3镁合金相变序列的影响，发现析出相与基体存在明显取向关系，T4和T6热处理提升了抗拉强度但降低了伸长率。研究了热处理对AZ80M镁合金组织和力学性能的影响，发现T4热处理能够改善显微偏析，T5热处理后第二相维持网状分布，而T6热处理后则析出了微小β相。此外，T6热处理后提升了合金强度和延展性，而T4热处理后的合金则表现出最高的延展性。研究了热处理和预应变对AZ91-0.5Y镁合金动态析出和蠕变性能的影响，其中SP试样表现出最高的蠕变抗力，这与Mg17Al12相的类型和密度有关。预应变引入的孪晶导致球形Mg17Al12相增多，促进锥形滑移和孪晶，提升了蠕变性能。研究了热处理对Al8Mn5和Al11Mn4的晶体学和动力学的影响，发现热处理有助于铝锰化合物与Mg基体接触，从而提升腐蚀性能。研究了SC（砂型铸造）和HPDC（压铸）镁合金在T4和T6热处理前后的热性能，发现HPDC合金初始热导率高于SC合金，但T4热处理降低其热导率，而T6处理提高其热导率，揭示了热处理对镁合金热性能的影响机理。因此，研究固溶处理温度对ZXAQ3110（Mg-3.16Zn-0.97Ca-0.55Al-0.44Ag，质量分数，%，下同）镁合金微观组织及力学性能的影响十分必要，其有助于进一步加深对镁合金优良强塑性匹配引发机制的理解。基于此，本研究考察不同温度（425、475和525 ℃）固溶处理对触变成形ZXAQ3110镁合金微观组织及元素分配的影响。此外，分析该合金最佳的强塑性匹配并量化各强化因素对合金强度的贡献，旨在为相关研究提供参考。

图文结果

首先按照目标合金成分配比将质量分数为99.9%的纯Mg、Mg-20Ca以及质量分数均为99.9%的纯Zn、纯Al、纯Ag依次放入坩埚中在750 ℃熔炼，随后将其浇注到经过150 ℃预热的圆柱体紫铜模具中。图1为ZXAQ3110镁合金棒坯的DSC分析曲线。结果显示镁合金固液相温度区间为579~625 ℃。因此为防止加热过程中棒坯发生氧化，首先将管式真空炉先抽真空并通入氩气，然后棒坯在半固态温度600 ℃保温60 min后触变成形，最终获得尺寸为ϕ50 mm×12 mm的ZXAQ3110镁合金锭料，其化学成分见表1。触变成形的ZXAQ3110镁合金微观组织见图2，主要由粗大晶粒及其周围的大量细小晶粒组成，在初生α颗粒的晶界处观察到许多第二相存在。此外，KAM图显示合金内部存在严重的应力集中。拉伸测试表明该合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为300 MPa、190 MPa和12%。将触变成形后的ZXAQ3110镁合金锭料放入管式真空炉，分别在425、475和525 ℃固溶处理2 h，后立即水淬。

图1 ZXAQ3110镁合金棒坯的DSC分析

表1 ZXAQ3110镁合金的化学成分(%)

图2 触变成形ZXAQ3110镁合金的微观组织

图3 拉伸试样尺寸示意图

图4为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的微观组织。可以看出，经过425 ℃固溶处理后，晶界处的共晶组织消失，初生α颗粒形成过饱和固溶体并呈现多边形状。当固溶温度为475 ℃时，初生α颗粒进一步长大，晶间的共晶组织数量和体积逐渐减小，共晶组织回溶程度进一步加深。随着固溶温度继续升高至525 ℃时，初生α颗粒圆整度进一步降低，只剩少量点状共晶组织分散在晶界间。此外，随着固溶温度升高，第二相的形态发生了显著变化。当固溶温度从425 ℃升至475 ℃，第二相平均尺寸从2.95 μm减小至2.02 μm，体积分数从8.66%减小至5.46%。525 ℃固溶处理后的合金内部的小尺寸、高密度的第二相完全消失，说明第二相已经完全回溶。图5和图6为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的EPMA结果和元素分布。每个区域取4个点进行点扫描，其中2个点位于晶内，2个点位于晶界，取其平均值。当固溶温度为425 ℃时，观察到大量第二相存在，主要沿晶界分布。Zn和Ag元素在合金内部均匀分布，而Ca和Al元素主要富集在第二相中。

图4 固溶处理后ZXAQ3110镁合金的微观组织

图5 固溶处理后ZXAQ3110镁合金的SEM形貌及EPMA元素面扫描

图6 固溶处理后ZXAQ3110镁合金溶质原子浓度

图7为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的IPF图和对应的晶粒尺寸图。可以看出，当固溶温度为425 ℃时，合金内部晶粒尺寸分布不均匀，其平均晶粒尺寸为48.15 μm。在大尺寸的再结晶晶粒周围观察到许多细小晶粒，这是由于此时固溶温度较低，只有部分晶粒获得了足够的能量发生了完全再结晶，大部分晶粒依然保持固溶处理前的形态。当固溶温度升高至475 ℃时，镁合金的晶粒尺寸增大，其平均晶粒尺寸为84.85 μm。同时，晶粒尺寸分布更加均匀，大部分晶粒已经再结晶。随着固溶温度继续提升至525 ℃时，镁合金内部细小的变形晶粒完全消失，只观察到了完全再结晶的粗大晶粒，其平均晶粒尺寸增大至115.82 μm，这是由于高温为再结晶的发生提供了足够的能量。图8为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的KAM图。可以看出，当固溶温度为425、475和525 ℃时，镁合金的KAM值分别为0.33、0.31和0.22 rad。随着固溶温度升高，镁合金的KAM值逐渐降低，表明合金内部的应力集中被缓解。通过合金的局部平均取向差，可以进一步统计出合金内部的位错密度，这直接关系到镁合金的强化作用。图9为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的再结晶度图。

图7 固溶处理后ZXAQ3110镁合金的IPF图和对应晶粒尺寸

图8 固溶处理后ZXAQ3110镁合金的局部错配角分析

图9 固溶处理后ZXAQ3110镁合金的再结晶分布及晶粒占比

图10为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的力学性能。可以发现，随着镁合金的固溶温度由425 ℃升高到525 ℃，镁合金的抗拉强度、伸长率呈先升高后降低的趋势，屈服强度呈逐渐降低的趋势。镁合金的抗拉强度和伸长率经475 ℃固溶处理后出现最大值，分别为311 MPa、13.6%。值得注意的是，屈服强度和抗拉强度变化趋势并不一致，并且475 ℃固溶处理后合金获得了最大的屈强比，这得益于其内部弥散分布的细小第二相阻碍位错运动提高了抗拉强度，同时避免了晶粒过于粗大而急剧降低屈服强度。图11为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的拉伸断口形貌。

图11为经425、475和525 ℃固溶处理后ZXAQ3110镁合金的拉伸断口形貌。可以看出，当固溶温度低于475 ℃时，合金的断口形貌表现出明显的脆性断裂的特征。在解理面上可以观察到一定数量的裂纹、孔洞和凹坑，对合金的力学性能不利。此外，存在大量的穿晶断裂和沿晶断裂的共同特征。当固溶温度为475 ℃时，断口的解理面周围存在不同方向的撕裂棱，同时仍存在少部分韧窝，合金的断口形貌呈混合型断裂特征。因此在475 ℃时，合金的强度和塑性增强。然而，当固溶温度达到525 ℃时，断口表面的韧窝几乎消失，出现大量大面积的解理台阶，显微裂纹的数量也逐渐增加，断口表面较为平整，断裂处具有明显的沿晶断裂特征。因此，当固溶温度超过475 ℃后，合金的强度和塑性逐渐降低。

综上，可以得出各强化机制对经425、475和525 ℃固溶处理镁合金的理论屈服强度分别为228.31、205.52和195.67 MPa。可以发现，对于在不同温度固溶处理后的镁合金，计算得出的屈服强度与试验值非常接近（见图12），一方面可以证明镁合金的强化机制确实源自以上4种机制，另一方面表明该强化模型能够较为准确地预测镁合金经过固溶处理之后的屈服强度。

图10 固溶处理后ZXAQ3110镁合金的力学性能

图11 不同固溶处理温度镁合金拉伸断口SEM形貌

图12 不同固溶温度镁合金屈服强度理论值与试验值

结论

（1）随着固溶温度升高，ZXAQ3110镁合金晶界处的共晶组织和晶内第二相都逐渐溶解，第二相平均晶粒尺寸和体积分数逐渐降低，在475 ℃后晶内第二相基本完全溶解；固溶温度的升高使初生α颗粒逐渐长大，其逐渐合并共晶组织，颗粒圆整度逐渐降低。此外，EBSD分析表明随着固溶温度升高，合金平均晶粒尺寸从48.15 μm增加至115.82 μm。

（2）随着固溶温度升高，合金的抗拉强度和伸长率表现出先升高后降低的趋势。经过475 ℃固溶处理之后，ZXAQ3110镁合金的强塑性可以获得更好的协同提升。镁合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为311 MPa、201 MPa和13.6%。固溶温度为475 ℃时，合金的断口形貌呈现出典型的混合断裂特征，解理面周围存在不同方向的撕裂棱，同时也存在少量韧窝。因此，在475 ℃时，合金的强度和塑性得到增强。

（3）ZXAQ3110镁合金的优良强塑性匹配引发机制应当归因于固溶强化、织构强化、晶界强化、位错强化等对合金屈服强度的联合贡献。建立的强化模型计算得到经425、475和525 ℃固溶镁合金理论屈服强度分别为228.31、205.52和195.67 MPa，能够较为准确地预测合金的力学性能。

《固溶处理温度对ZXAQ3110镁合金组织及性能的影响》
贺垚1 张学拯1,2 何慕1 陈体军1,2
1. 兰州理工大学材料科学与工程学院；2. 兰州理工大学省部共建有色金属合金及加工教育部重点实验室

本文转载自《特种铸造及有色合金》