脉冲磁场对Mg-Zn-Y合金组织及力学性能的影响

 周  维  邓  鹏  胡鹏鹤  张云波  张  磊

 （南昌航空大学航空制造工程学院）

摘要在Mg93Z n6Y1合金凝固过程中施加脉冲磁场处理，主要研究了放电电压对Mg93Zn6Y1合金组织和力学性能的影 响。结果表明，施加脉冲磁场对Mg93Zn6Y1合金凝固组织中的初生a-Mg相和准晶相均具有显著的细化效果。随着放电 电压的增加，初生a-Mg相尺寸逐渐减小，其形貌由粗大枝晶状逐步转变为细小花瓣状和颗粒状。同时，准晶相也得到逐步细化，其形貌由粗大的连续网络状转化为不连续状和颗粒状，平均宽度和平均面积比分别由26μm和32%减小至10 μm和14%。随着放电电压的增加，Mg93Zn6Y1合金的力学性能显著提高。当放电电压为300 V时，Mg93Zn6Y1合金的抗拉强度和伸长率分别为172.1 M Pa和1.6%，相比未处理合金提高了71.2%和60. 0%。

关键词  脉冲磁场；Mg93zn6Y1合金；放电电压；铸态组织；力学性能

中图分类号  TG146. 22；0472+.5 D()I:10. 15980/j. tzzz. 2016. 06. 028

 镁合金具有高比强度、高比模量、电磁屏蔽好以及良好的铸造、机械加工性能等优点，在电子通讯、汽车、航天航空等领域具有广阔的应用前景。由于自身特殊的晶体学对称性，准晶相具有高强度、高硬度和良好的热稳定性等优点，这使得利用准晶相作为增强相来提高镁合金的性能成为良好的选择。LUO Z P等首次确定Mg-Zn-Y合金中Mg。2n6Y合金相为二十面体准晶相（I相），同时研究发现在常规铸造和快速凝固工艺下，Mg-Zn-Y合金中均能获得稳定的I相。但研究发现，该类镁合金铸态组织中的准晶相主要呈粗大的树枝状分布在基体中，同时初生a-Mg晶粒粗大，导致合金铸态力学性能较差。

 在合金凝固过程中施加脉冲磁场处理对其凝固组织具有明显的细化效果，使得该处理技术日益得到重视。在A231、A291D、A280、AM60、AS31和Mg-Gd-Y-Zr等镁合金凝固过程中施加脉冲磁场处理，初生a-Mg相由发达枝晶转变成细小的蔷薇状，同时组织中粗大的第二相也得到明显细化。因此，本课题在 Mg93Zn6Y1合金凝固过程中施加脉冲磁场，主要研究放电电压对Mg93Zn6Y1合金组织和力学性能的影响。

1  试验方法

 试验材料为商用纯镁锭（99. 97%，质量分数，下同），纯锌粒(99.97%)和Mg-30Y中间合金。首先，将按照化学成分配比好的合金放人功率为5 kW的SG2-5-12型坩埚电阻炉中加热至750℃，待全部熔化后，静置10 min，然后扒渣并降温至720℃。

 脉冲磁场处理试验在自制的脉冲磁场发生装置中进行，其具体参数。将合金液浇入已预热至300℃的不锈钢坩埚(+48 mm×60 mm)内，同时施加脉冲磁场进行处理，直至熔体凝固后取出。为防止镁合金的氧化燃烧，熔炼和浇注过程中均采用C0z +SF6（体积比100：1）混合气体进行保护。固定脉冲磁场频率为10 Hz，主要考察不同放电电压(0、100、200和300

V)对合金组织及力学性能的影响。

 采用Metalscan2500光谱分析仪对合金的化学成分进行分析，其结果见表1。为保证分析的准确性，试样均取自铸锭中间的相同部位。采用PHILIPS APD- 10型X射线衍射仪表征材料的相组成。采用标准金相试样程序制得金相试样后，用0. 5%的（体积分数）HNO2酒精溶液腐蚀5～10 s。采用4XC-V图像金相显微镜观察合金的组织形貌。使用金相显微镜自带的分析软件测量准晶相的平均宽度及平均面积比（视图中准晶相的面积／总面积）。利用JEM-3010型透射电镜对试样凝固组织中的第二相进行相结构分析。在E200D微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min，每种试验条件下选取5个拉伸试样，取其平均值。

2  试验结果与分析

 图1为不同放电电压下Mg93Zn6Y1合金的XRD图谱。由图1可见，不同放电电压下获得的Mg93Zn6Y1合金中相组成并未发生变化，均主要由a-Mg和Mg93Zn6Y1相构成。

 图2为Mg93Zn6Y1合金第二相的TEM形貌及对应的电子衍射花样。由图2可见，该第二相的电子衍射斑点为独特的5次旋转对称衍射花斑，而5次旋转对称衍射花斑是二十面体准晶独有的特征，这充分说明Mg93Zn6Y1合金中的第二相（Mg93Zn6Y1相）为典型的二十面体准晶相（I相）。

 图3为放电电压对Mg93Zn6Y1合金凝固组织中初生a-Mg相的影响。由图3a可见，未施加脉冲磁场处理时，Mg93Zn6Y1合金铸态组织中的初生a-Mg相呈粗大的树枝晶状。当放电电压增大到100 V时，初生a-Mg相得到明显细化，其形貌由树枝晶转变为等轴枝晶，见图3b。当放电电压继续增加至200 V时，初生a-Mg相尺寸继续减小，其形貌大部分转变为花瓣状，见图3c。继续增加脉冲电压至300 V，初生a-Mg相的尺寸进一步减小，此时初生a-Mg相为细小的花瓣状和颗粒状共存组织，见图3d。可见，在Mg93Zn6Y1合金凝固过程中施加脉冲磁场对初生a-Mg相有明显的细化效果。

 图4和图5分别是放电电压对Mg93Zn6Y1合金凝固组织中准晶相形貌的影响和准晶相平均宽度、平均面积比随放电电压的变化。可以看出，未经过脉冲磁场处理的Mg93Zn6Y1合金中的准晶相呈粗大的连续网状形态分布。经统计，此时准晶相的平均宽度和平均面积比分别为26μm和32%。将脉冲电压增加至100 V后，准晶相得到一定细化，但其形貌仍呈连续的网状形态分布。经统计，此时准晶相的平均宽度和平均面积比分别为23μm和28%。继续增加放电电压至200 V时，准晶相继续细化，其形貌由连续的网状转变为不连续状。经统计，此时准晶相的平均宽度为17且m，平均面积比为20%。当放电电压增加到300 V时，准晶相得到进一步细化，此时其形貌主要呈不连续状和颗粒状分布。经统计，此时准晶相的平均宽度和平均面积比仅为10μm和14%，相比未处理合金，降低了62%和56%。

 在合金凝固过程中施加脉冲磁场，能够在合金熔体中产生磁致振荡。这种振荡一方面增加了合金熔体的过冷度，即产生“磁致过冷”，提高合金组织凝固结晶的形核率；另一方面，使得合金熔体产生对流效应，熔体的对流效应会将型壁处形成的细小等轴晶带入内部，增加形核核心，从而细化晶粒。再者，对流使得熔体内部的温度场和浓度场得到均匀化，抑制了初生a-Mg相的择优取向。

 脉冲磁场在合金熔体内部发生磁场感应产生洛伦兹力，这会增加溶质原子由液相向固相迁移所需的能量壁垒，阻碍了溶质原子向固／液界面的扩散，进而减少了溶质原子向界面液相的排出量，最终使得准晶相形成减少、宽度变薄。另外，由于合金熔体内不同部位的磁感应强度和涡流密度存在差异，这将形成一个流速差，从而产生剪切应力。这会使得呈连续网格状的准晶相发生破碎，转变为不连续状和颗粒状。

 图6为Mg93Zn6Y1合金的抗拉强度和伸长率随放电电压的变化曲线。由图6可见，随着放电电压的增加，Mg93Zn6Y1合金的抗拉强度和伸长率都逐渐提升。当电压为300 V时，合金的抗拉强度、伸长率分别达到172.1 M Pa和1.6%，相比未处理的合金提高了71. 2%和60. 0%。这主要是由于施加脉冲磁场处理后，Mg93Zn6Y1合金的凝固组织得到了显著细化，从而使其综合力学性能得到提高 

3  结  论

 (1)施加脉冲磁场处理使得Mg93Zn6Y1合金凝固组织中的初生a-Mg相和准晶相均得到显著细化。随着放电电压的增加，初生a-Mg相尺寸逐渐减小，其形貌由粗大枝晶状逐步转变为细小花瓣状和颗粒状。同时，准晶相的平均宽度和平均面积比逐渐下降，其形貌由粗大的连续网格状转变为不连续状和颗粒状。

 (2) Mg93Zn6Y1合金的抗拉强度和伸长率均随着放电电压的增加而提高。当电压为300 V时，合金的抗拉强度和伸长率分别达到172.1 M Pa和1.6%。相比未处理的合金，提升了71. 2%和60. 0%。