AZ91镁合金定向凝固工艺及组织研究

赵彦民，李秋书，莫漓江，石大鹏（太原科技大学，太原 030024）

AZ91镁合金定向凝固工艺及组织研究

赵彦民，李秋书，莫漓江，石大鹏（太原科技大学，太原 030024）

研究表明：在定向凝固过程中，温度梯度是重要参数之一，代表了定向凝固设备的主要性能指标；温度梯度越高，其定向凝固组织的连续性就越好。

AZ91镁合金；定向凝固；显微组织

镁合金是在工程应用中密度最低的金属结构材料，具有高比强、高比模、高阻尼、电磁屏蔽以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等特点。在汽车、电子、航空、航天、国防等领域具有重要的应用价值和广阔应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。目前镁及镁合金[1]材料的研究已成为世界性的热点。而定向凝固技术[2]是20世纪60年代发展起来的一种铸造新工艺，它是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在型壁上形核后沿着与热流相反方向，按照要求的结晶方向进行凝固，成平行的柱状晶，这种组织具有方向性，沿柱状晶方向的力学性能特别优异。目前国内在定向凝固方面主要集中在高温合金领域，而对镁合金的定向凝固研究很少。本实验主要是通过对镁合金进行定向凝固，研究其组织的晶粒结构以及形态，使镁合金的力学性能得到相应的改变与提高。

1 试验

1.1 实验材料

本实验采用的是标准工业用AZ91镁合金。其化学成分（质量分数）：9.1%Al，0.81%Zn，0.27%Mn，其它杂质小于0.02%。

1.2 实验设备

本文中实验设备为DXNG400型单区－Bridgeman定向凝固系统，采用LMC法[4]进行定向凝固。

1.3 试样制备

在进行定向凝固前，要制备好用于定向凝固的试样。本实验中定向凝固试样的规格为ø10mm×150mm。采取气体保护真空吸铸法制作。图1所示为试样制备原理图。

使用电阻炉进行熔化，在整个过程中采用干空气+0.5%SF6气体保护。待熔化完毕后，镁合金被真空吸铸到外径为ø12mm的不锈钢管子当中。冷却后切割成符合规格长度备用。

1.4 定向凝固工艺

工艺A：试样在真空和惰性气体保护状态下按加热工艺进行加热，到达所要求的温度保温后，开始进行定向凝固。在工艺A中，加热器由钨质贵金属制成，其规格为ø80mm×300mm，与试样直径相差较大，其传热方式主要以辐射传热为主，因此，一方面加热速率比较慢，另一方面影响温度梯度的提高，经测量，温度梯度是10K/mm。同时由于钨在高温下易氧化，所以必须在真空或惰性气体保护条件下使用。况且镁在高温下蒸发比较严重，挥发出来的镁蒸汽附着在发热器表面，导致发热器热传导受阻甚至损坏，对定向凝固组织产生不利影响。工艺过程如图2。

工艺B：试样在惰性气体保护状态下于大气环境中按加热工艺进行加热，到达所要求的温度保温后，开始进行定向凝固。加热器由电阻丝绕制而成，其规格为ø30mm×300mm，其加热空间远比工艺A小，加热均匀性好。热量能够很好地通过对流形式和辐射形式传递给试样，加热周期明显缩短，温度梯度比工艺A大幅提高。经测量，温度梯度为30K/mm。由于此工艺在大气条件下进行试验，减少了抽真空时间，整个工艺流程简短。镁合金的蒸发对设备的腐蚀也较小，有效地保护了设备的正常运转。工艺过程如图3所示。

2 AZ91镁合金定向凝固组织

在定向凝固镁合金中，工艺A和工艺B的镁合金凝固组织有明显的不同。

工艺A中，在试样纵向剖面上，二次相（Mg17Al12）呈纵向条状平行分布，且与热流方向平行。在横剖面上组织呈球状或胞状，二次相弥散程度加强。如图4、图5所示。

工艺B中，在纵向截面的二次相（Mg17Al12）以连续的棒状分布且方向一致。在横向截面上组织呈胞状且各自的趋向不同。如图6、图7所示。

比较两种工艺所得到的组织可以发现，虽然加热温度和晶体生长速度相同，但由于温度梯度发生较大变化，导致了定向凝固组织的截然不同。温度梯度越高，其定向凝固组织的连续性就越好。

3 结论

在定向凝固过程中，温度梯度是重要参数之一，代表了定向凝固设备的主要性能指标。温度梯度越高，其定向凝固组织的连续性就越好。

[1]丁文江.镁合金科学与技术.北京：科学出版社，2007.

[2]周尧和，等.凝固技术.北京：机械工业出版社，1988.

[3]K.Pettersen，O.Lohne，and N.Ryum Dendritic Solidification of Magnesium Alloy AZ91 Metallurgical Transactions A.Volume 21A，January 1990—221～230.

[4]GiameiA F，Tschinkel JG.LiquidMetalCooling：ANew Solidification Technique.Metallurgical Transactions，1976，7A（9）：1427～1434.

Study of Process and Solidification Structure on Unidirectional Solidification M g Alloy AZ91

ZHAO YanMin，LI QiuShu，MO LiJiang，SHI DaPeng
(Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

This investigation results in:the tem perature g rad ient is one key parameter during unid irec tional solid ification,ind icating main perform ance of unid irec tional solid ification equipm ent.The higher the temperature g rad ient is,the better the continuity of the m icrostructure of unid irectional solid ification.

Mg alloy AZ91；Unid irec tional solid ification；M ic rostructure

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2010）04－3

山西省科技攻关项目：编号2007032037

2010－02－02

2010－017

赵彦民（1979－），男，硕士研究生，研究方向为镁合金定向凝固