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 周  維  鄧  鵬  胡鵬鶴  張云波  張  磊

 （南昌航空大學航空制造工程學院）

摘要在Mg93Z n6Y1合金凝固過程中施加脈沖磁場處理，主要研究了放電電壓對Mg93Zn6Y1合金組織和力學性能的影 響。結(jié)果表明，施加脈沖磁場對Mg93Zn6Y1合金凝固組織中的初生a-Mg相和準晶相均具有顯著的細化效果。隨著放電 電壓的增加，初生a-Mg相尺寸逐漸減小，其形貌由粗大枝晶狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿』ò隊詈皖w粒狀。同時，準晶相也得到逐步細化，其形貌由粗大的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀轉(zhuǎn)化為不連續(xù)狀和顆粒狀，平均寬度和平均面積比分別由26μm和32%減小至10 μm和14%。隨著放電電壓的增加，Mg93Zn6Y1合金的力學性能顯著提高。當放電電壓為300 V時，Mg93Zn6Y1合金的抗拉強度和伸長率分別為172.1 M Pa和1.6%，相比未處理合金提高了71.2%和60. 0%。

關(guān)鍵詞  脈沖磁場；Mg93zn6Y1合金；放電電壓；鑄態(tài)組織；力學性能

中圖分類號  TG146. 22；0472+.5 D()I:10. 15980/j. tzzz. 2016. 06. 028

 鎂合金具有高比強度、高比模量、電磁屏蔽好以及良好的鑄造、機械加工性能等優(yōu)點，在電子通訊、汽車、航天航空等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于自身特殊的晶體學對稱性，準晶相具有高強度、高硬度和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，這使得利用準晶相作為增強相來提高鎂合金的性能成為良好的選擇。LUO Z P等首次確定Mg-Zn-Y合金中Mg。2n6Y合金相為二十面體準晶相（I相），同時研究發(fā)現(xiàn)在常規(guī)鑄造和快速凝固工藝下，Mg-Zn-Y合金中均能獲得穩(wěn)定的I相。但研究發(fā)現(xiàn)，該類鎂合金鑄態(tài)組織中的準晶相主要呈粗大的樹枝狀分布在基體中，同時初生a-Mg晶粒粗大，導致合金鑄態(tài)力學性能較差。

 在合金凝固過程中施加脈沖磁場處理對其凝固組織具有明顯的細化效果，使得該處理技術(shù)日益得到重視。在A231、A291D、A280、AM60、AS31和Mg-Gd-Y-Zr等鎂合金凝固過程中施加脈沖磁場處理，初生a-Mg相由發(fā)達枝晶轉(zhuǎn)變成細小的薔薇狀，同時組織中粗大的第二相也得到明顯細化。因此，本課題在 Mg93Zn6Y1合金凝固過程中施加脈沖磁場，主要研究放電電壓對Mg93Zn6Y1合金組織和力學性能的影響。

1  試驗方法

 試驗材料為商用純鎂錠（99. 97%，質(zhì)量分數(shù)，下同），純鋅粒(99.97%)和Mg-30Y中間合金。首先，將按照化學成分配比好的合金放人功率為5 kW的SG2-5-12型坩堝電阻爐中加熱至750℃，待全部熔化后，靜置10 min，然后扒渣并降溫至720℃。

 脈沖磁場處理試驗在自制的脈沖磁場發(fā)生裝置中進行，其具體參數(shù)。將合金液澆入已預(yù)熱至300℃的不銹鋼坩堝(+48 mm×60 mm)內(nèi)，同時施加脈沖磁場進行處理，直至熔體凝固后取出。為防止鎂合金的氧化燃燒，熔煉和澆注過程中均采用C0z +SF6（體積比100：1）混合氣體進行保護。固定脈沖磁場頻率為10 Hz，主要考察不同放電電壓(0、100、200和300

V)對合金組織及力學性能的影響。

 采用Metalscan2500光譜分析儀對合金的化學成分進行分析，其結(jié)果見表1。為保證分析的準確性，試樣均取自鑄錠中間的相同部位。采用PHILIPS APD- 10型X射線衍射儀表征材料的相組成。采用標準金相試樣程序制得金相試樣后，用0. 5%的（體積分數(shù)）HNO2酒精溶液腐蝕5～10 s。采用4XC-V圖像金相顯微鏡觀察合金的組織形貌。使用金相顯微鏡自帶的分析軟件測量準晶相的平均寬度及平均面積比（視圖中準晶相的面積／總面積）。利用JEM-3010型透射電鏡對試樣凝固組織中的第二相進行相結(jié)構(gòu)分析。在E200D微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min，每種試驗條件下選取5個拉伸試樣，取其平均值。

2  試驗結(jié)果與分析

 圖1為不同放電電壓下Mg93Zn6Y1合金的XRD圖譜。由圖1可見，不同放電電壓下獲得的Mg93Zn6Y1合金中相組成并未發(fā)生變化，均主要由a-Mg和Mg93Zn6Y1相構(gòu)成。

 圖2為Mg93Zn6Y1合金第二相的TEM形貌及對應(yīng)的電子衍射花樣。由圖2可見，該第二相的電子衍射斑點為獨特的5次旋轉(zhuǎn)對稱衍射花斑，而5次旋轉(zhuǎn)對稱衍射花斑是二十面體準晶獨有的特征，這充分說明Mg93Zn6Y1合金中的第二相（Mg93Zn6Y1相）為典型的二十面體準晶相（I相）。

 圖3為放電電壓對Mg93Zn6Y1合金凝固組織中初生a-Mg相的影響。由圖3a可見，未施加脈沖磁場處理時，Mg93Zn6Y1合金鑄態(tài)組織中的初生a-Mg相呈粗大的樹枝晶狀。當放電電壓增大到100 V時，初生a-Mg相得到明顯細化，其形貌由樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S枝晶，見圖3b。當放電電壓繼續(xù)增加至200 V時，初生a-Mg相尺寸繼續(xù)減小，其形貌大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛ò隊�，見圖3c。繼續(xù)增加脈沖電壓至300 V，初生a-Mg相的尺寸進一步減小，此時初生a-Mg相為細小的花瓣狀和顆粒狀共存組織，見圖3d�？梢�，在Mg93Zn6Y1合金凝固過程中施加脈沖磁場對初生a-Mg相有明顯的細化效果。

 圖4和圖5分別是放電電壓對Mg93Zn6Y1合金凝固組織中準晶相形貌的影響和準晶相平均寬度、平均面積比隨放電電壓的變化�？梢钥闯�，未經(jīng)過脈沖磁場處理的Mg93Zn6Y1合金中的準晶相呈粗大的連續(xù)網(wǎng)狀形態(tài)分布。經(jīng)統(tǒng)計，此時準晶相的平均寬度和平均面積比分別為26μm和32%。將脈沖電壓增加至100 V后，準晶相得到一定細化，但其形貌仍呈連續(xù)的網(wǎng)狀形態(tài)分布。經(jīng)統(tǒng)計，此時準晶相的平均寬度和平均面積比分別為23μm和28%。繼續(xù)增加放電電壓至200 V時，準晶相繼續(xù)細化，其形貌由連續(xù)的網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)狀。經(jīng)統(tǒng)計，此時準晶相的平均寬度為17且m，平均面積比為20%。當放電電壓增加到300 V時，準晶相得到進一步細化，此時其形貌主要呈不連續(xù)狀和顆粒狀分布。經(jīng)統(tǒng)計，此時準晶相的平均寬度和平均面積比僅為10μm和14%，相比未處理合金，降低了62%和56%。

 在合金凝固過程中施加脈沖磁場，能夠在合金熔體中產(chǎn)生磁致振蕩。這種振蕩一方面增加了合金熔體的過冷度，即產(chǎn)生“磁致過冷”，提高合金組織凝固結(jié)晶的形核率；另一方面，使得合金熔體產(chǎn)生對流效應(yīng)，熔體的對流效應(yīng)會將型壁處形成的細小等軸晶帶入內(nèi)部，增加形核核心，從而細化晶粒。再者，對流使得熔體內(nèi)部的溫度場和濃度場得到均勻化，抑制了初生a-Mg相的擇優(yōu)取向。

 脈沖磁場在合金熔體內(nèi)部發(fā)生磁場感應(yīng)產(chǎn)生洛倫茲力，這會增加溶質(zhì)原子由液相向固相遷移所需的能量壁壘，阻礙了溶質(zhì)原子向固／液界面的擴散，進而減少了溶質(zhì)原子向界面液相的排出量，最終使得準晶相形成減少、寬度變薄。另外，由于合金熔體內(nèi)不同部位的磁感應(yīng)強度和渦流密度存在差異，這將形成一個流速差，從而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。這會使得呈連續(xù)網(wǎng)格狀的準晶相發(fā)生破碎，轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)狀和顆粒狀。

 圖6為Mg93Zn6Y1合金的抗拉強度和伸長率隨放電電壓的變化曲線。由圖6可見，隨著放電電壓的增加，Mg93Zn6Y1合金的抗拉強度和伸長率都逐漸提升。當電壓為300 V時，合金的抗拉強度、伸長率分別達到172.1 M Pa和1.6%，相比未處理的合金提高了71. 2%和60. 0%。這主要是由于施加脈沖磁場處理后，Mg93Zn6Y1合金的凝固組織得到了顯著細化，從而使其綜合力學性能得到提高 

3  結(jié)  論

 (1)施加脈沖磁場處理使得Mg93Zn6Y1合金凝固組織中的初生a-Mg相和準晶相均得到顯著細化。隨著放電電壓的增加，初生a-Mg相尺寸逐漸減小，其形貌由粗大枝晶狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿』ò隊詈皖w粒狀。同時，準晶相的平均寬度和平均面積比逐漸下降，其形貌由粗大的連續(xù)網(wǎng)格狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)狀和顆粒狀。

 (2) Mg93Zn6Y1合金的抗拉強度和伸長率均隨著放電電壓的增加而提高。當電壓為300 V時，合金的抗拉強度和伸長率分別達到172.1 M Pa和1.6%。相比未處理的合金，提升了71. 2%和60. 0%。