Mg-Al-Si(AS)系耐热镁合金的研究进展

李 闯

(陕西理工学院材料科学与工程学院，陕西汉中 723000)

Mg-Al-Si(AS)系耐热镁合金的研究进展

李 闯

(陕西理工学院材料科学与工程学院，陕西汉中 723000)

回顾了AS系镁合金近年来的研究进展，包括成形工艺和热处理以及合金化元素对AS系耐热镁合金显微组织和力学性能的影响。使AS系耐热镁合金主要的强化相Mg2Si晶粒细化，并均匀分布是提高其性能的关键。利用往复挤压等技术和适当的热处理工艺可以改善铸造AS系耐热镁合金性能的微观组织，添加适量的Ca、Sr、Sb、Nd和Y等元素也可以细化Mg2Si晶粒，提高其高温蠕变性能。

Mg-Al-Si镁合金; Mg2Si; 显微组织; 力学性能

镁合金是最轻的金属结构材料之一，镁及镁合金具有比刚度和比强度高、减振性好、易切削加工、易回收、电磁屏蔽和抗辐射能力强等特点，因而被称为“21世纪的绿色工程应用材料”。目前，镁合金作为部分钢、铝材料的替代品在变速箱、离合器、轮毂等汽车零配件方面以及通讯设备、航空等领域中已经得到了应用。日益减少的金属矿产资源，使得资源相对丰富的镁受到重视，环境保护和结构轻量化需求更加速了镁工业的发展。相比其他的金属结构材料，镁合金的绝对强度，尤其是高温强度较低，抗蠕变性能不高，除此以外，镁合金的硬度低、模量低、磨损抗力低、热膨胀系数高等特点在很大程度上限制了其更为广泛的应用。例如，一般镁合金的耐高温性能较差，其工作温度不高于120～150℃。因此，提高镁合金的耐高温性能是其研发热点之一。

按化学成分分类，可将耐热镁合金分为Mg-Al系、Mg-Zn系和Mg-RE系。20世纪70年代，德国大众开发出了Mg-Al-Si系压铸镁合金，AS系列镁合金使用温度在150℃以下。在Mg-Al合金中加入Si是为了提高其抗蠕变性［1］，其强化机理是在晶界处形成细小弥散分布的稳定析出相Mg2Si。Mg2Si相的硬度和熔点都很高(1 085℃)，而且Mg2Si相具有与基体相近的低密度(1.99 g/cm3)、高弹性模量及低热膨胀系数等特点，从而提高了合金耐高温性［2］。Mg2Si相有3种形态:多边形块状、汉字状和树枝状(骨骼状)。这些相的形态、大小和分布对合金性能有较大影响。如果Mg2Si相颗粒细小、弥散分布则能使合金的力学性能明显提高，反之，粗大的Mg2Si相颗粒则能恶化合金的力学性能［3-4］。使Mg2Si颗粒细化并均匀分布是提高合金性能的关键。鉴于目前还没有见到关于AS系耐热镁合金的综述文献，本文试图对目前AS系耐热镁合金做一总结。

1 成形工艺及热处理对AS系合金组织性能的影响

采用重力铸造法制备的铸态Mg-4Al-2Si合金组织由α-Mg基体、Mg2Si相和β-Mg17Al12相组成。Mg2Si相有两种形态:一种是沿晶界或穿晶分布的粗大汉字状，二是在基体组织中的随机分布的粗大多边形块状。合金室温抗拉强度是113.5 MPa，屈服强度是86 MPa，硬度是64.5 HV，伸长率为4.1%;拉伸断裂形式是准解理脆性断裂。较差的合金性能是由于粗大的脆性Mg2Si相所导致的。经固溶处理的铸态Mg-4Al-2Si合金，组成仍是α-Mg基体、Mg2Si相和β-Mg17Al12相。但是，β-Mg17Al12相部分发生溶解，粗大汉字状的Mg2Si相发生溶解、甚至溶断，出现球状化现象，最佳球化工艺为420℃，保温16 h。固溶处理后合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率都有较大的提高，不过拉伸断裂形式是准解理脆性断裂［5-7］。150℃高温短时拉伸，铸态Mg-4Al-2Si合金的屈服强度是58 MPa，抗拉强度是97 MPa，伸长率达到18%，拉伸断裂形式是准解理脆性断裂［8］。

利用往复挤压制备的细晶Mg-4Al-2Si合金，铸态组织由α-Mg、β-Mg17Al12、共晶型汉字状Mg2Si和少量初生块状Mg2Si组成。挤压过程中α-Mg基体组织发生了受位错攀移控制的动态再结晶，随挤压道次的增加，动态再结晶速度加快，晶粒尺寸迅速减小。共晶Mg2Si经2道次往复挤压后全部破碎，且分布均匀。经6道次挤压后初生Mg2Si颗粒全部破碎，细小的Mg2Si颗粒已基本球化。往复挤压合金中Mg2Si颗粒尺寸遵循Weibull分布，颗粒平均尺寸、标准差和相对密度随挤压道次增加而提高，经过8道次挤压后，三项指标分别为1.3 μm、0.7 μm和540%。往复挤压11道次时，由于挤压温度过高，导致晶粒发生粗化，最大尺寸达10 μm［9-11］。经过8道次往复挤压后，在150℃和1.33×10-3s-1初始应变速率下测试其拉伸性能，屈服强度、高温抗拉强度、伸长率和拉伸强度保持率分别为197 MPa、250 MPa、62%和88%。优良的高温性能归因于细小的基体组织和稳定的Mg2Si颗粒对晶界的有效钉扎作用［12］。

往复挤压态Mg-4Al-2Si合金，固溶处理后其硬度、屈服强度和抗拉强度都降低，而伸长率增加;经固溶加时效处理后合金的晶粒显著长大，抗拉强度、硬度和塑性降低，屈服强度则显著降低。合金挤压态与往复挤压后固溶处理态的断裂形式为韧性断裂;挤压态合金经过固溶加时效处理后的断裂形式为脆性准解理断裂［13］。

采用重力铸造法制备的Mg-4Al-4Si(AS44)镁合金，其组织主要由α-Mg基体、Mg2Si相和β-Mg17Al12相组成;Mg2Si有粗大的树枝状、块状和汉字状3种形态;合金室温抗拉强度是108.8 MPa，硬度是66.5 HV3，屈服强度是72.3 MPa，伸长率是2.6%;拉伸断裂形式是准解理脆性断裂［14］。往复挤压显著地细化Mg-4Al-4Si晶粒，改善组织的均匀性;往复挤压4道次和8道次后，Mg2Si颗粒尺寸由铸态下的约120 μm分别减小至3 μm 和 2 μm，α-Mg基体晶粒尺寸由铸态下的约 50 μm 分别减小至 9 μm 和8 μm，形成了较为细小、弥散分布的Mg2Si颗粒和细小的等轴晶组织。合金的力学性能随往复挤压道次的增加而明显提高，8道次时，合金的屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别达到210.5 MPa、251.7 MPa和14.8%，与铸态合金相比，上述力学性能指标分别提高了 131.3%、191.1%和 469.2%;挤压态合金拉伸断裂形式为微孔聚合型韧性断裂［15］。

利用往复挤压能细化Mg-4Al-2Si、Mg-4Al-4Si和Mg-6Al-6Si合金组织，随着Si含量增加，基体晶粒和Mg2Si颗粒粗化，拉伸强度降低。基体组织细化受Mg2Si相的形态和均匀性控制，为再结晶和Mg2Si相阻碍晶界移动的复合机制，力学性能主要由基体晶粒尺寸决定。在150℃和1.33×10-3s-1初始应变速率下，8道次挤压AS42合金性能最佳，屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为197 MPa、250 MPa和62%，该合金的高强度归因于细小的晶粒以及阻碍晶界滑移的细小稳定Mg2Si颗粒［16-17］。

马国睿等［18-21］采用应变诱发法(SIMA)和等温热处理法成功制备出具有非枝晶组织的Mg-9Al-1Si合金半固态坯料，并且实现在Mg-9Al-1Si合金半固态组织中的α-Mg晶粒、汉字状共晶Mg2Si和初生Mg2Si枝晶的球化。汉字状共晶Mg2Si相的球化机制为溶解-析出机制，树枝状初生Mg2Si相的球化机制为根部熔断机制及“雷利(Rayleigh)形状失稳”机制。

电磁搅拌可以完全抑制Mg-9Al-1Si合金树枝晶的形成，延长搅拌时间使组织变得粗大，但晶粒形貌不改变;提高搅拌频率可以使其中的α-Mg趋于等轴化;电磁搅拌还能对Mg2Si相的形核起促进作用，使Mg2Si相的析出较自然凝固过程提前，并且在搅拌力的作用下呈块状［22］。

利用普通重力铸造方法制备的Mg-9Al-6Si镁合金，其铸态组织主要由α-Mg基体和分布在其上的粗大棱状枝晶或多边形块状初晶Mg2Si相及连成网状的β-Mg17Al12相组成，无汉字状Mg2Si相。该合金室温拉伸断口是以准解理断裂为主的脆性断裂，断裂沿α-Mg基体和Mg2Si相的界面处产生并扩展，抗拉强度为 137.45 MPa，硬度为 123 HV1［23］。

通过420℃，16～48 h固溶处理，AZ61-0.7Si合金中汉字状的Mg2Si相变为短棒或块状，拉伸和蠕变性能得到改善;经过420℃，24 h固溶处理，再经过200℃，12 h时效处理，合金表现出比铸造合金高的拉伸和蠕变性能［24］。

2 合金化元素对AS合金组织性能的影响

对于AS21基合金组织，Ca对汉字状Mg2Si相有显著的变质作用，对合金组织具有明显的晶粒细化作用;Sr对汉字状Mg2Si相也有比较明显的变质作用，对被Ca变质的颗粒状Mg2Si相细化作用则较小，对合金组织有一定的细化作用［4］。

铸态Mg-4Al-2Si合金加入少量Sb(0.25% ～0.75%)可以有效细化α-Mg基体和汉字状Mg2Si相颗粒组织，并在合金中形成Mg3Sb2相，提高合金的力学性能:Sb含量为0.25%时，Mg2Si颗粒明显细化;Sb含量为0.75%时，α-Mg基体组织达到最佳细化效果，得到了细小、均匀的α-Mg等轴晶组织，此时合金的屈服强度和抗拉强度达到最大值;Sb含量大于0.75%时，Mg2Si相颗粒向晶界大量偏聚并且粗化，致使材料力学性能迅速降低［25］。刘相法等［26］发现加入中间相合金1.5%Al-3.5P，能使 Mg-4Al-2Si的初生Mg2Si晶粒尺寸从70 μm减小到小于15 μm，同时晶粒由粗大的树枝状或等轴状变成多边形状，反应中形成的Mg3P2起到Mg2Si异质形核核心的作用。

在AS44合金中加入少量的Sb(0.25% ～1.25%)能有效细化Mg2Si相。合金加入 Sb后，形成Mg3Sb2相。它成为Mg2Si相非均质形核的核心，达到了细化组织的目的。随着Sb含量的增加，合金的强度和伸长率总体上呈提高的趋势，粗大骨骼状的Mg2Si渐渐转变为多边形块状，最终全部转变为细小的汉字状。当Sb含量为1.25%时，细化Mg2Si相的效果较好，合金抗拉强度最高，达到180.5 MPa，伸长率最大为 4.0%［27-28］。

丁文江等［29］发现加入富镧及富铈混合稀土的Mg-5Al-1Si合金，其Mg2Si相得到细化，抗高温蠕变性能均超过AE42。加入微量Nd能显著改善Mg-5Al-1Si镁合金的铸态组织，使Mg2Si相由汉字状转变为细小、弥散、均匀分布的颗粒状。合金的室温及高温(150℃)拉伸强度延伸率提高，加入量超过0.6%以后蠕变量及第二阶段蠕变速率超过AE42［30］。在Mg-5Al-1Zn-1Si合金中添加Sb和Ca也能通过提供形核位而细化多边形Mg2Si相，而且添加Sb比Ca更有效，从而也提高了拉伸性能和硬度［31-32］。另外，加入微量Ca的Mg-6Zn-1Si合金，其Mg2Si相形貌由粗大的汉字状变为细小、弥散分布的颗粒状，组织明显细化，合金的室温和高温力学性能也均有一定的提高［33］。

在Mg-5Al-1Si基镁合金中加入Ca、Y后，合金的组织得到细化，力学性能明显提高。在Mg-5Al-1Si基合金中添加Ca后，CaSi2相可以作为Mg2Si相的非均质形核核心，有利于合金显微组织的细化。Y的加入有利于提高镁合金的流动性，而Ca的加入使镁合金的流动性略有下降［34］。以AM50镁合金为基体，Si元素能改善镁合金的流动性，提高合金硬度，但过高时(＞0.93%)会导致合金的室温力学性能下降，拉伸试样断面表现为脆性的解理或准解理断裂［35］。

对 Mg-6Al-xSi(x=0.31，0.85，1.41wt.%)合金在 420 ℃进行固溶处理，由于 Si原子沿着 Mg2Si/Mg界面扩散，Mg2Si相球化，从而改善了Mg-6Al-xSi合金的机械性能［36］。

Sb能改善Mg-6Al-6Si合金组织，使Mg2Si强化相细化弥散分布，提高合金的抗拉强度与屈服强度。当Sb含量为1.0%时其各项性能达到最佳。Mg3Sb2相充当了α-Mg的形核核心使得Mg2Si形态改变，从而抑制了枝晶的长大［37］。

杨明波等［38］发现添加了少量Sb和RE的Mg-(6-8)%Al-1%Zn-0.7%Si的铸态组织主要由α-Mg基体、Mg17Al12相、Mg2Si相、Mg3Sb2相和少量针状Al4Si2Mn2Y相等组成，并且随着Al含量的增加，试验合金组织中Mg17Al12相增多，共晶析出物变得更加连续。常温和150℃高温条件下，Al含量为7%的试验合金具有最高的抗拉强度，屈服强度随Al含量的变化则显示出相反的变化规律。添加质量分数为0.4%的Sb到AZ61-0.7Si合金中，能优化但不能改变Mg2Si相，而添加0.12%的Sr则使Mg2Si相从汉字状变为微粒状和/或不规则多边形［39］。

Pd的加入降低了Mg-10%Al-12Si合金的耐磨性，这是由于其中Mg2Si体积比下降，导致硬度降低［40］。Mg-15%Al-5%Si-0.5%Sb自生复合材料中的Sb对树枝状的Mg2Si相有一定的细化作用，其形貌变为颗粒状，但细化效果有限［41］。

Mg-6Al-1Zn-0.25Mn合金铸态组织由初生α-Mg和呈骨骼状和片层状的Mg17Al12相组成，添加0.4%Sb、0.7%Si和 0.25%RE 后，合金的组织中发现了汉字状 Mg2Si相、Mg3Sb2相和少量针状Al4Si2Mn2Y相，其大多分布在晶界或枝晶界，未发现Sb对汉字状Mg2Si相有明显变质作用。单独添加0.7%Si和同时添加 0.7%Si、0.4%Sb 和 0.25%RE，均会使 Mg-6Al-1Zn-0.25Mn 合金的凝固峰值温度下降，其中，同时添加0.7%Si、0.4%Sb和0.25%RE较单独添加0.7%Si使合金凝固峰值温度下降更多。固溶处理对试验 Mg-6Al-1Zn-0.7Si-0.25Mn 合金及 Mg-7Al-1Zn-0.25Mn-0.7Si-0.4Sb-0.25RE 合金组织中Mg2Si相的汉字状形态有比较明显的影响，试验合金经420℃固溶处理16 h以上再水淬后，试验合金组织中Mg2Si相的汉字状形态呈现出分解和粒状化的趋势［42］。

3 总结

总之，耐热镁合金已经引起国内外科学工作者的高度兴趣，许多国家也进行了相关研究，但是如何提高镁合金的高温抗蠕变性能却暂时难以解答。目前急需解决的问题是，获得系统的合金化元素对耐热镁合金的组织和性能的影响规律的数据，探索更加有效的制备工艺、降低合金成本等。

［1］BRONFIN B，KATSIR M，AGHION E.Preparation and solidification features of AS21 magnesium alloy［J］.Mater Sci Eng A，2001，302(1):46-50.

［2］李宜达，梁敏洁，廖海洪，等.高性能镁合金及其在汽车行业应用的研究进展［J］.热加工工艺，2013，42(10):12-16.

［3］ZHANG P.Creep behavior of the die-cast Mg-Al alloy AS21［J］.Scripta Mater，2005，52(4):277-282.

［4］王岩.Ca、Sr对AS21合金组织及性能的影响［D］.郑州:郑州大学，2010:5-6.

［5］宋佩维，李虹燕，王永善.铸态Mg-4Al-2Si合金的显微组织与力学性能［J］.材料工程，2010(1):1-4.

［6］宋佩维，郭学锋，井晓天，等.Mg-4Al-2Si合金固溶处理过程中Mg2Si相颗粒的球状化［J］.材料工程，2007(3):34-37.

［7］宋佩维.固溶处理对铸态Mg-4Al-2Si合金组织和性能的影响［J］.特种铸造及有色合金，2011，31(4):311-314.

［8］宋佩维，铸态Mg-4Al-2Si合金的显微组织与高温力学性能［J］.铸造技术，2011，32(2):214-218.

［9］郭学锋，杨文朋，宋佩维.往复挤压Mg-4Al-2Si合金中Mg2Si颗粒形貌与分布［J］.材料工程，2011(11):62-67.

［10］宋佩维，往复挤压Mg-4Al-2Si镁合金的晶粒细化［J］.中国有色金属学报，2010，20(4):606-612.

［11］宋佩维，井晓天，郭学锋.往复挤压Mg-4Al-2Si镁合金的组织细化与力学性能［J］.中国有色金属学报，2007，17(1):111-117.

［12］郭学锋，杨文朋，宋佩维.往复挤压Mg-4Al-2Si合金的高温拉伸性能［J］.中国有色金属学报，2010，20(6):1032-1038.

［13］宋佩维，井晓天，郭学锋.热处理对往复挤压态Mg-4Al-2Si合金组织和性能的影响［J］.金属热处理，2007，32(1):69-72.

［14］宋佩维.铸态Mg-4Al-4Si合金的显微组织与力学性能［J］.铸造技术，2012，33(1):8-11.

［15］宋佩维.往复挤压Mg-4Al-4Si镁合金的显微组织与力学性能［J］.中国有色金属学报，2012，22(7):1863-1870.

［16］郭学锋，杨文朋，宋佩维.往复挤压Mg-Al-Si合金的高温拉伸性能［J］.材料热处理学报，2012，33(2):7-11.

［17］郭学锋，杨文朋，宋佩维.Si对往复挤压Mg-Al-Si再结晶组织和力学性能的影响［J］.材料热处理学报，2011，32(8):54-59.

［18］LI X L，CHENY B，WANG X，et al.Effect of cooling rates on as-cast microstructures of Mg-9Al-xSi(x=1，3)alloys［J］.Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2010，20(2):393-396.

［19］MA G R，LI X L，LI Q F.Effect of holding time on microstructure of Mg-9Al-1Si alloy during semisolid isothermal heat treatment［J］.Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2010，20(2):430-434.

［20］马国睿.Mg-Al-Si合金半固态组织演变及其影响因素［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011:82-83.

［21］MA G R，LI X L，LI L，et al.Modification of Mg2Si morphology in Mg-9%Al-0.7%Si alloy by the SIMA process［J］.Mater Charact，2011，62(3):360-366.

［22］杨必成，杜东朝，朱学新，等.电磁搅拌对Mg-Al-Si合金组织的影响［J］.特种铸造及有色合金，2004(3):26-28.

［23］贾树卓，徐春杰，张忠明，等.Mg-9Al-6Si镁合金组织及性能研究［J］.铸造技术，2005，26(12):1104-1105.

［24］YANG M B，LIANG X F，LI H，et al.Effects of solution heat treatment on microstructure and mechanical properties of AZ61-0.7Si magnesium alloy［J］.Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2010(2):416-420.

［25］宋佩维，郭学锋，井晓天，等.Sb对Mg-4Al-2Si合金显微组织和力学性能的影响［J］.特种铸造及有色合金，2007，27(2):88-91.

［26］HOU J，Li C，LIU X.Nucleating role of an effective in situ Mg3P2on Mg2Si in Mg-Al-Si alloys［J］.J Alloy Compd，2011，509(3):735-739.

［27］宋佩维.Sb对Mg-4Al-4Si合金组织和力学性能的影响［J］.铸造技术，2012，33(9):1050-1053.

［28］宋佩维.铸态Mg-4Al-4Si-0.75Sb合金的显微组织与力学性能［J］.材料工程，2012(4):36-41.

［29］黄晓锋，王渠东，刘六法，等.混合稀土对Mg-5Al-1Si组织及性能的影响［J］.稀有金属材料与工程，2005，34(5):795-798.

［30］黄晓锋，王渠东，曾小勤，等.钕对Mg-5Al-1Si高温蠕变及组织性能的影响［J］.中国稀土学报，2004，22(3):361-364.

［31］YUAN G Y，LIU Z L，WANG Q D，et al.Microstructure refinement of Mg-Al-Zn-Si alloys［J］.Mater Lett，2002，56(1-2):53-58.

［32］袁广银，刘满平，王渠东，等.Mg-Al-Zn-Si合金的显微组织细化［J］.金属学报，2002，38(10):1105-1108.

［33］宋海宁，袁广银，王渠东，等.耐热Mg-Zn-Si-Ca合金的显微组织和力学性能［J］.中国有色金属学报，2002，12(5):956-960.

［34］张赟龙.Si对压铸Mg-5Al-xSi合金组织和性能的影响［D］.上海:上海交通大学，2006:70-71.

［35］张赟龙，刘六法，卫中山，等.压铸Mg-5Al-xSi合金的组织与性能［J］.特种铸造及有色合金，2005，25(10):42-45.

［36］LÜY Z，WANG Q D，ZENG X Q，et al.Behavior of Mg-6Al-xSi alloys during solution heat treatment at 420 ℃［J］.Mater Sci Eng A，2001，301(2):255-258.

［37］郑荣军，井晓天，卢正欣，等.锑含量对Mg-6Al-6Si合金组织性能的影响［J］.铸造技术，2007，28(4):512-514.

［38］白亮，潘复生，杨明波.Mg-(6～8)Al-0.7Si合金的组织和力学性能分析［J］.重庆大学学报:自然科学版，2006，29(10):96-99.

［39］YANG M B，PAN F S，SHEN J，et al.Comparison of Sb and Sr on modification and refinement of Mg2Si phase in AZ61-0.7Si magnesium alloy［J］.Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2009，19(2):287-292.

［40］CICEK B，AHLATC H，SUN Y.Wear behaviours of Pb added Mg-Al-Si composites reinforced with in situ Mg2Si particles［J］.Mater Des，2013(50):929-935.

［41］马莹，张忠明，徐春杰，等.Mg-15%Al-5%Si-0.5%Sb 合金制备及其组织研究［J］.铸造技术，2006，27(4):357-359.

［42］白亮.Mg-Al-Si系和Mg-Zn-Al系镁合金组织控制的基础研究［D］.重庆:重庆大学，2006:83.

［责任编辑:李 莉］

Research progress of heat resistant Mg-Al-Si(AS)alloy

LI Chuang
(School of Materials Science and Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China)

This paper reviewed the recent research progress of AS magnesium alloys，including the effects of heat treatment process and forming and alloying elements on microstructure and mechanical properties of AS magnesium alloys.The refinement and uniform distribution of the main strengthening phase Mg2Si grain is the key to improving the performance of AS heat resistant magnesium alloys.The reciprocating extrusion technique and proper heat treatment process can improve the microstructure and properties of casting AS heat resistant magnesium alloys，and improve the high temperature creep properties.The addition of amount of Ca，Sr，Sb，Nd and Y elements can refine Mg2Si grains and finally improve the high temperature creep properties.

Mg-Al-Si alloy; Mg2Si; microstructure; mechanical property

TG146.2+2

A

1673-2944(2014)05-0001-05

2014-03-19

陕西理工学院科研基金资助项目(SLGQD13-20)

李闯(1980—)，男，河南省新郑市人，陕西理工学院讲师，博士，硕士研究生导师，主要研究方向为镁基耐热镁合金、第一原理计算。