高压低温烧结AZ91细晶镁合金及其力学性能的研究

张文磊,樊建锋,张 华,董洪标,许并社

(太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室,山西省新材料工程技术研究中心,材料科学与工程学院,太原 030024)

高压低温烧结AZ91细晶镁合金及其力学性能的研究

张文磊,樊建锋,张 华,董洪标,许并社

(太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室,山西省新材料工程技术研究中心,材料科学与工程学院,太原 030024)

为了细化镁合金晶粒,对AZ91粉末采用高压低温烧结方法制备细晶AZ91镁合金,利用金相显微镜和X射线衍射仪(XRD)分析了烧结体的显微组织与成分,研究了烧结时间与致密度和硬度的关系,揭示了高压低温烧结过程中烧结体内组织的细化与生长机理。结果表明，在1 200 MPa、300 ℃条件下烧结48 h后,晶粒平均尺寸约10 μm,致密度达到99.5%;与铸态时相比,高压低温烧结法制备的镁合金,其显微硬度(HV)值从81.6提高到103。本研究对回收利用工业镁合金废屑、拓展高性能镁合金研究提供一种新途径。

AZ91镁合金;高压低温烧结;晶粒细化;显微硬度

与其他金属结构材料相比,镁及镁合金具有比强度比刚度高、易切削加工等优点,被誉为21世纪的“绿色材料”。目前，在汽车、电子、交通、航天航空和国防军事工业领域得到了广泛的应用[1-2]。Mg-Al系合金是镁合金中工业应用最广泛的合金之一,其中AZ91又是AZ系列镁合金的代表。然而,常规铸造AZ91镁合金的微观组织以及析出相均比较粗大,较差的绝对力学性能制约了其在高端领域的应用[3]。

根据HallPetch关系式,随着合金晶粒尺寸的减小,合金的力学性能会显著提高,因此在众多提高镁合金力学性能的方法中,细晶强化是一种非常有效的方法[4-5]。近几年,国内外对镁合金细晶强化进行了大量研究,应用的方法包括合金化法、等径角挤压、累积叠轧焊法、氢化脱氢处理法、粉末烧结法等[6-8],其中粉末冶金法是一种发展较为成熟的方法,日本学者在20年前就开始有报道,我国学者2000年以来也有较多研究。工业常用的粉末烧结工艺大多都要先完成粉末颗粒的细化过程,然后再完成后续烧结,最终获得组织致密的烧结合金[9-11]。然而现阶段,对于利用大颗粒粉末烧结来获得具有细晶组织的镁合金的研究却很少,鉴于此,笔者利用大颗粒镁合金粉末,采用高压低温烧结的方法来制备细晶AZ91镁合金,并对其组织性能进行分析。希望能开发一种低成本的细晶镁合金制备方法,为工业镁合金加工的废屑回收利用提供一种新方法,并为该领域的科研以及工业生产提供可靠的实验与理论数据。

1 实验材料及方法

本试验以工业AZ91D镁合金铸锭为原料,首先对组织粗大的铸锭进行均匀化处理,处理条件为:420 ℃下保温10 h,然后在80 ℃热水中淬火,最终获得过饱和固溶体;在手套箱内惰性气氛保护下，利用高强度耐磨锉刀制备AZ91粉末颗粒,选取粒度在65～75 μm之间的粉末颗粒作为实验用粉末,粉末颗粒形貌如图1所示。

图1 粉末颗粒形貌图Fig.1 Microstructure of morphology of powder

高压低温烧结是在惰性气氛保护下,升温速度为15 ℃/min。当温度升到200 ℃时,对模具内松装的镁合金粉体进行预压实；当温度升高到300 ℃并稳定后,再将压力增加到1 200 MPa;分别在恒压恒温下烧结合金粉末1,24,48 h,获得组织致密的3种不同时间的镁合金试块。冷压的块体(2-a)在室温1 200 MPa下压制1 h获得。

以国际标准ISO3369—1975《致密烧结金属材料与硬质合金密度的测定》中的规定为依据，测定合金烧结前后的相对密度；采用高景深光学显微镜观察合金烧结体的显微组织；使用X射线衍射(XRD)来表征合金烧结体的物相组成,XRD测试时采用Cu-Kα射线(λ=0.154 056 nm)；使用HVS-1000型显微维氏硬度仪进行硬度测试。

2 实验结果与分析

2.1 热压烧结过程中的晶粒细化与生长机理分析

图2-a为1 200 MPa压力下，冷压1 h后的块体显微组织图,室温压制时的压应力使得块体内部颗粒间相互作用并产生塑性形变,颗粒内部储存了一定的畸变能,但是在室温条件下压制时粉末变形抗力很高,颗粒内部畸变不大,不足以使颗粒发生再结晶，并且不会有第二相析出。

图2-b,2-c,2-d为镁合金粉末在氩气气氛保护下,在1 200 MPa的压力和300 ℃下,分别热压烧结1,24,48 h后的显微组织图片。如图2-b所示,高压低温烧结1 h后,所有合金颗粒均出现再结晶现象,出现大量尺寸细小的等轴晶,晶粒平均尺寸约为1 μm,且进行再结晶过程的同时,晶界处生成大量细小第二相颗粒。

为确定第二相成分,对试样进行X射线衍射测试，图3中曲线a、b曲线分别为未烧结合金粉末试样和烧结1 h后的合金块的XRD图谱。由图可知，AZ91原始粉末的XRD图谱中并无第二相峰(曲线a)；而由烧结1 h后的合金的XRD图谱可以看出,烧结后合金内部出现β-Mg17Al12相。由此可以确定,图2中箭头所示的第二相均为β-Mg17Al12相。当高压低温烧结24 h后(2-c),晶粒与第二相的尺寸明显长大,而数量逐渐减少。当高压低温烧结时间延长到48 h后(2-d),合金晶粒与第二相的尺寸仍然出现微小生长,晶粒平均尺寸约为10 μm,但相对于高压低温烧结24 h时的第二相颗粒尺寸,高压低温烧结48 h后的合金内部第二相有部分跨过颗粒界面。

图2 粉末经过冷压后的组织(a)和不同高压低温烧结时间的组织图(b,c,d)Fig.2 Microstructure of cold pressing and high-pressure and low-temperature sintering at different times:a-cold pressing for 1 h;b-1 h;c-24 h;d-48 h

图3 合金粉末和烧结合金的XRD图Fig.3 XRD figure of powders and sintering alloy:a-powders，b-sintering alloy after 1 h

由图2-b可知,高压低温烧结过程中，合金内部发生了动态再结晶。在烧结开始阶段,粉末颗粒在加热条件下塑性大大提高,再施加较大的压力时,粉末颗粒发生塑性形变,在合金粉体内部出现大量缺陷,储存了一定的畸变能;另一方面,较高的温度也是促进再结晶进行的有利条件,从而使粉体内部动态再结晶得以发生。此外,高压低温烧结过程中,在应力和温度的同时作用下,AZ91粉末颗粒内部出现脱溶现象,产生大量细小的第2相。这时脱溶与再结晶过程相互竞争,一方面,形变引入的大量缺陷促进脱溶和再结晶的形核;另一方面,脱溶生成的第2相颗粒反作用于再结晶形核过程,在晶界起钉扎作用,最终当再结晶过程完成时,合金内部出现大量尺寸细小的等轴晶和第2相颗粒。高压低温烧结1 h后,合金内部再结晶过程已经完成,虽然粉体内部的畸变能已经完全释放,但组织仍未达到最稳定状态。因为大量尺寸细小的等轴晶和第2相具有很高的总界面能,属于高能量点,而能量越高组织越不稳定,所以为了降低总的界面能,晶粒和第2相力求长大,如图2-c,2-d。总界面能随着晶粒的长大而降低,趋向稳定状态。

由图(2-b)还可知，高压低温烧结1 h,烧结体内部晶粒与第2相尺寸细小,总的界面能较高,从而有助于晶界的迁移,以大晶粒吞食小晶粒的方式生长。随着晶粒尺寸增大,数量减少,于是晶界面积减小,总的界面能降低。然而晶粒的生长也受其他因素的限制,晶界处存在大量细小的第2相，以及粉末颗粒晶界处存在的杂质和气孔等,都阻碍了晶界的迁移,减缓了晶粒的生长过程。但是，根据图2-b,2-c,2-d可知,在晶粒的生长过程中,第2相也发生粗化反应,它与晶粒同时长大的交互作用变得相对复杂。虽然晶界处的第2相起到钉扎晶界作用,阻碍晶粒生长(如图2-b所示大量的第2相阻碍晶粒生长,晶粒尺寸非常细小,仅为1 μm左右),但是随着第2相的粗化及数量的减少(图2-c，2-d),对晶粒生长的阻碍作用逐渐减弱,晶粒生长容易进行,使第2相颗粒尺寸增大，数量减少,晶粒尺寸增大。当热压烧结到48 h，相对烧结1 h时,晶粒尺寸相对长大了将近10倍。相应地,总的界面能也大大降低,已不足以满足晶粒快速长大的条件,而且第二相颗粒的尺寸和数量也趋于稳定,这时对晶粒生长的促进和抑制作用达成平衡,导致晶粒尺寸趋于稳定,最终获得平均粒径为10 μm的晶粒。

2.2 热压烧结时间对致密度与硬度的影响

1-cold pressed 1 h;2-1 h;3-24 h;4-48 h;5-casting图4 合金经高压低温烧结后的致密度与显微硬度变化趋势图Fig.4 Changes in the density and hardness of thealloy after high-pressure and low-temperature sintered

图4-a为合金经冷压1 h和高压低温烧结1,24,48 h后的致密度变化趋势图。由图可知,冷压条件下(2-a),较大的压制力能够获得一定形状的块体,但是其致密度却很低,仅为86%;高压低温烧结1 h后,烧结体的致密度显著提高到98%(2-b);但是,致密度的提高幅度却随着烧结时间的延长而变缓,直到烧结48 h后烧结体的致密度达才达到99.5%。在高压低温烧结致密化的初始阶段,在外力与温度相互作用下,粉末颗粒发生相对滑移和塑性变形,气孔被“压碎”,从而烧结体迅速致密化。随着烧结时间延长,颗粒间相互接触区会逐渐增大,颗粒接触区发生连续的塑性屈服,而后在接触区形成幂指蠕变区,在颗粒界面,各种蠕变机制导致物质迁移[12]。

研究表明[12],热压烧结过程中,完成初步致密化的时间很短,在数分钟内便能完成,而通常热压烧结的致密化进程却需要数小时方能完成。这是因为初步致密化仅为合金颗粒之间的机械结合,而要完成冶金结合,颗粒之间必须经过原子的相互扩散,而扩散速度相对于机械滑动速度却很慢,所以完全致密化时间较长。在300 ℃条件下,镁的自扩散系数仅为9.97×10-17m2/s,扩散速率非常缓慢。因此,温度一定条件下,为了使颗粒间发生冶金结合,必须延长烧结时间,使得粉末之间的原子进行充分的相互扩散。当烧结体完成初始致密化后,随着烧结时间的延长,接触区蠕变及各种扩散机制的进行,发生动态再结晶与脱溶现象;晶粒随着烧结的进行不断长大,晶界处颗粒状第2相也不断长大并开始慢慢跨过颗粒界面生长;颗粒界面演变为合金的晶界,同时烧结颈表面原子和空位发生体积扩散和晶界扩散,合金内部孔洞逐渐消失,合金致密度达到最高。

图4-b为冷压1 h、高压低温烧结1,24,48 h的合金与铸态合金的显微硬度比较图。由图可知,冷压获得的块体显微硬度很高;热压烧结1 h后烧结体硬度显著降低；随着烧结时间的延长,合金的显微硬度降低，但降低幅度不大。经过48 h烧结后的合金显微硬度(HV)由初始的159下降到103.8,但相对于铸态合金的显微硬度(81.6)，其硬度值仍然是较高的。

在冷压条件下,合金粉末颗粒塑性较低,而较大的外应力却使得颗粒发生剧烈的冷变形(如图2-a所示),产生机械加工硬化,从而使冷压合金块体具有较高的显微硬度。而高压低温烧结1 h后,合金内部发生了动态再结晶,出现大量细小的再结晶晶粒(如图2-b所示),合金内部储存的变形能被迅速释放,促使显微硬度显著降低。继续延长烧结时间,合金内部晶粒与第2相发生长大,根据HallPetch关系式[13]可知,合金的硬度随着晶粒尺寸增大而显著降低。当烧结时间延长到48 h,合金内部晶粒与第2相尺寸基本稳定,所以纤维硬度不再发生明显的变化,但是相比铸态合金的硬度仍然有显著的提高。

3 结论

1) 在1 200 MPa、300 ℃高压低温条件下,烧结48 h后的AZ91镁合金,合金内部在晶界上均匀分布着大量细小的第2相颗粒,晶粒尺寸约为10 μm,较铸态合金明显细化。

2) 当高压低温烧结48 h后,合金烧结完全,致密度达到最高,约为99.5%,显微硬度(HV)约为103.8,相对铸态合金仍有27%提高。

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(编辑：庞富祥)

Mechanical Properties of AZ91 Fine Grain Magnesium Alloy Processed by High-pressure and Low-temperature Sintering

ZHANG Wenlei,FAN Jianfeng,ZHANG Hua,DONG Hongbiao,XU Bingshe

(KeyLaboratoryofInterfaceScienceandEngineeringinAdvancedMaterialsTaiyuanUniversityofTechnology,MinistryofEducationTaiyuan030024,China;ShanxiResearchCenterofAdvancedMaterialsScienceandTechnology,CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

In order to refine magnesium grain, AZ91 alloy with refined grains was prepared by high-pressure and low-temperature sintering.The microstructure evolution of sintered alloy was studied by means of metallographic microscope and X-ray diffraction (XRD). The effect of sintering time on the density and hardness of AZ91 alloy was also analyzed. The grain refinement and growth of sintered alloy during high-pressure and low-temperature sintering were investigated. The results reveal that AZ91 alloy was sintered completely after 48 hours under 1 200 MPa and 300 ℃. The average grain size of the sintered alloy was about 10 μm. Moreover, the relative density of the sintered AZ91 alloy was 99.5% and the hardness of sintered alloy prepared by high-pressure and low-temperature sintering increased obviously, from 81.6 HV of the cast alloy to 103 HV. AZ91 alloy with refined grains was prepared by high-pressure and low-temperature sintering, hoping to provide a new method for recycling industrial magnesium alloy chips and expanding high-performance magnesium alloy research.

magnesium alloy;high-pressure and low-temperature sintering;grain refinement;hardness

1007-9432(2015)04-0380-05

2015-01-13

国家自然科学基金资助项目:HDDR原位压制成形法制备纳米晶Mg-Al合金的机理研究,纳米镁基材料中微观结构与性能间的关系研究(50901048,51174143);教育部新世纪优秀人才支持计划资助(NCET-12-1040);国家留学基金资助(1308140098)

张文磊(1988-)，男，安徽阜阳人，硕士生，主要从事镁合金新材料的力学性能研究，(Tel)15364818379,(E-mail)971084437@qq.com

樊建锋(1977-),男,博士,教授,(Tel)13935107463,(E-mail)fanjianfeng77@hotmail.com

TF124

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.003