双螺旋流变压铸_AZ91D_镁合金的研究_就上UG网

镁合金是最轻的金属结构材料，具有很高的 比强度和比刚度，近年来，镁合金在汽车、航空航天、电子通讯等领域获得了迅速发展。常用的镁合 金成形方法主要有压铸、半固态铸造、挤压铸造等，其中液态压铸是镁合金最主要的成形方式。 由于液态压铸成形件中存在气孔等缺陷，不仅降 低了铸件的力学性能，而且也限制了通过热处理 提高材料性能的效果，这极大地制约了镁合金的 进一步推广。

流变压铸镁合金不仅可消除和减少镁合金铸 件中的气孔，而且还可提高铸件的力学性能，被认 为是 21 世纪具有广阔发展前途的近净成形技术之 一。目前，国内外学者对镁合金流变压铸研 究主要集中在组织与性能和数值模拟等方 面。其中，在组织与性能的研究中，以定性 分析微观组织为多，而定量地分析微观组织的研 究很少。本文采用双螺旋流变制浆技术，对镁合金 AZ91D 进行了流变压铸研究。定量地考察了双螺 旋流变制浆工艺参数( 搅拌温度，搅拌时间和转 速) 对镁合金 AZ91D 的 α-Mg 初生相晶粒的影响， 确定了镁合金流变压铸的最佳工艺条件，并研究 了镁合金压铸成形性，测试了压铸件的力学性能。

1 实 验

实验采用商用镁合金 AZ91D，其化学成分为 ( 质 量 分 数) : Al 8． 626%，Zn 0． 730%，Mn 0. 282%，Si ＜ 0． 007%，Fe ＜ 0． 002%，Cu ＜ 0． 001%，Ni ＜ 0. 001%，Mg 余量。镁合金在 650 ℃ 熔化后，将熔体浇入到双螺旋流变制浆机中， 然后根据不同工艺参数制备流变镁合金浆料。待 制浆结束后，将半固态浆料转移到 280 t 卧式冷室 压铸机压室内，制得半固态压铸件。

实验采用铜模激冷的方法获得不同工艺下的 试样，对试样采用德国产 ZEISS 200MAT 光学显微 镜观察 α-Mg 初生相晶粒，并利用 Micro-Image A- nalysis ＆ Process( MIAP) 软件分析了 α-Mg 初生相 晶粒平均大小。

2 结果与讨论

2． 1 双螺旋流变制浆工艺与组织之间关系

在双螺旋流变制浆实验过程中，研究了搅拌温 度、搅拌速度和搅拌时间等工艺参数对半固态浆料 组织的影响。在单因素考察试验中，双螺旋搅拌工 艺参数为: 熔体浇注温度 650 ℃，双螺旋搅拌转速 500 r·min －1 ，搅拌时间60 s，搅拌温度590 ℃。



从图 1 可以看出随着搅拌温度的增加，α-Mg 初生相晶粒尺寸变化不是很大，搅拌温度降低约 10 ℃，初生 α-Mg 的平均直径从 30 μm 增加至 40 μm，仅增大了 10 μm 左右，也就是说镁合金浆 料处理温度在 585 ～595 ℃的区间内，镁合金晶粒 尺寸比较稳定。综合考虑，选择585 ℃为最佳搅拌 温度。



AZ91D 镁合金在双螺旋制浆室中的搅拌保温 时间也是影响半固态浆料质量的重要因素。图 2 为 在不同的双螺旋搅拌时间下( 30，60，90，120 s) AZ91D 晶粒平均尺寸图。从图 2 可以看出，随着搅 拌时间的延长，镁合金晶粒平均尺寸逐渐变大，当 搅拌时间由30 s( 晶粒平均尺寸为 36． 29 μm) 增加 到60 s( 晶粒平均尺寸为 38． 278 μm) 时，晶粒尺寸 仅仅增大了2 μm 左右，但当搅拌时间由 60 s 增加 为90 s 时，镁合金晶粒尺寸增大了 10 μm 左右; 搅 拌时间由90 s 增加为 120 s 时，镁合金晶粒尺寸增 大了14 μm。因此，选择 30 s 为最佳搅拌时间。晶 粒尺寸的这种变化规律表明在搅拌过程中，初生相发生了熟化长大。由于双螺旋的搅拌作用，在小于 10 s 的时间内就能将镁合金浆料温度与制浆室温 度达到一致，随后的双螺旋搅拌是一个等温搅拌 过程，按照经典的 LSW 晶粒熟化规律，晶粒尺寸 与保温时间关系为:



式中，k 为熟化速率( μm 3 ·s －1 ) ; t 为时间( s) ; r 为 晶粒尺寸( μm) 。

在高剪切搅拌下晶粒长大规律与经典的 LSW 熟化规律间存在不同。Ostwald 熟化主要是通过扩 散控制晶粒长大的过程，溶质元素的扩散速率在 晶粒长大过程中起着主要作用。在高剪切搅拌条 件下，一方面提高了熔体内熔质的扩散速率，同时 又增加了晶粒间碰撞的几率，这有可能使多个晶 粒发生合并，在组织上表现为晶粒的快速长大。



图 3 所示为不同搅拌转速与晶粒平均尺寸关 系图。从图 3 中可以看出随着搅拌转速的提高即 搅拌强度的提高，镁合金平均晶粒尺寸逐渐减小。 这种晶粒尺寸与搅拌强度的变化特征表明: 提高 剪切强度使 α-Mg 初生相的生长环境变得更加均 匀一致，固液生长界面稳定性增加，大部分在凝固 初期形成的晶核能在这种均匀的环境中长大，而 不会因为局部过热导致晶核重熔，另外因为不同 曲率半径的固相溶质成分与曲率半径存在以下关 系: 曲率半径小的部分溶质浓度高，曲率半径大的 部分溶质浓度低。因此，在熟化过程中，曲率半径 小的晶粒会逐渐被大尺寸颗粒吞并。在高剪切搅拌 下，溶质在液相中具有很快的扩散速率，因此在固 相前沿，即使局部界面失稳形成凸起，也会因为熟化过程很快消失，因此，大量凝固初期形成的晶核 以球形方式逐渐长大，使最终得到的晶粒尺寸随 剪切强度增加而减少。

通过以上工艺参数对半固态浆料晶粒尺寸的 影响进行研究，最终获得最优工艺参数如下: 熔体 浇注温度 650 ℃，搅拌温度 585 ℃，搅拌速度 500 r·min －1 ，搅拌时间 30 s。在进行优化后的 AZ91D 半固态浆料制备工艺条件下，得到了优异的半固 态浆料，为后续的流变压铸做好了准备。

2． 2 双螺旋流变压铸成形实验研究

在实际零件的压铸实验中，选用图 4 所示的 汽车用连杆作为目标零件，该零件为一承受动载 荷零件，对材料的强度和疲劳性能有较高要求，常 规液态压铸生产中，压铸件的厚大部位容易产生 气孔，使产品无法通过热处理提高性能，导致产品 性能不能满足要求。



实验观察了液态压铸与流变压铸件的微观组 织如图5 所示。常规液态压铸中，金属熔体在压室 和模具的内壁上开始形核，晶核随熔体的流动进 入熔体内部，一部分被过热熔体重新熔化，另一部 分存活下来并逐渐长大。受成分过冷的影响，这些 晶核最终长大成树枝晶，而且晶粒大小不均匀。液 态压铸的这种组织特征，一方面会导致压铸件内 存在较大枝晶偏析，同时粗大枝晶臂连接后，造成 凝固末期补缩困难，局部出现显微缩孔。流变压铸 的凝固过程可分为两个阶段，熔体在制浆室内连 续冷却到半固态温度区间，然后进行等温搅拌，此 时会形成一部分先凝初生 α 1 ，搅拌结束后浆料进 行压铸成形，剩余液相中凝固产生后凝初生相 α 2 ，由于二次凝固的冷却速度较快，凝固末期发生共 晶反应 L → Mg + Mg 17 Al 12 。从流变压铸微观组织中 可以看出，由于初生相晶粒在不同阶段形成，因此 晶粒大小有较大差别，但晶粒形貌均近似为球状， 而且流变压铸的晶粒密度远高于常规液态压铸。



对流变压铸组织晶粒分布进行定量分析，结 果如图 6 所示。图 6( a) 为不同晶粒尺寸的体积分 数分布图，图 6( b) 为不同晶粒尺寸个数分数分布 图。分析结果表明初生 α-Mg 的总体积分数为 55. 86%，平均晶粒尺寸为 28． 3 μm。图中还可以 看出，晶粒尺寸的分布曲线( 图中实线) 等同于两 根高斯曲线( 如虚线所示) 的叠加，结合流变压铸 的凝固特征，可以认为其中分布在较大尺寸范围 的高斯曲线对应先凝初生相的形成和长大，分布 在较小尺寸范围的高斯曲线对应在模具内形成的 后凝初生相。计算高斯分布曲线对应的面积，可得先凝 α-Mg 的体积分数为 44． 5%，后凝 α-Mg 的体 积分数 11． 4%。



从分析结果可以看出，流变压铸的凝固特点 是，首先在搅拌过程中形成一定数量的 α-Mg 晶 粒，浆料导入压室后，由于压室温度略低于浆料温 度，受压室的冷却作用，固相体积分数的增加主要 依靠已形成的 α-Mg 晶粒逐渐熟化长大，而晶粒密 度变化不大; 浆料充型进入型腔后，剩于液相在模 具的冷却作用下会发生爆发式形核，α-Mg 的晶粒 密度会显著上升，表现为晶粒分布曲线上出现第 二个高斯峰。从计算结果中可以看出，在浆料进入 模腔之前，初生相的平均晶粒尺寸小于 50 μm，而 且固相体积分数已达到 44． 5%，这样的浆料具有 较高的粘度，同时又有良好的流动性，保证了浆料 在充型过程中能保持层流运动，避免了卷气现象 的发生，从而消除了压铸中产生的各种铸造缺陷。

2．3 双螺旋流变压铸件热处理工艺研究及力学性 能测试

在 AZ91D 压铸成形过程中，由于非平衡凝固 导致 β 相 Mg 17 Al 12 分布在 α-Mg 的晶界上，β 相是 脆性相，因此需要通过热处理来改变其分布，从而 改善压铸件力学性能。通常由于常规液态压铸件 内存在大量气孔，使得零件在热处理过程中出现 局部起泡现象，而流变压铸消除了压铸件内的气 孔，因此能够通过热处理进一步提高零件的力学 性能。




实验比较了普通压铸与流变压铸热处理后的 力学性能见表 1，可以看出，采用流变压铸工艺， 压铸件的抗拉强度和断后伸长率都得到明显提高。 采用流变压铸工艺显著提高了 AZ91D 压铸件的拉 伸力学性能，其原因归结为铸态组织的细化和均 匀化。由于镁合金是密排六方的晶体结构，室温下 主要依靠锥面孪生协调基面滑移的方式发生塑性 变形。当晶粒粗大时，在外力作用下晶粒协调变形 能力差，很容易导致局部应力集中而发生断裂。当 晶粒细化均匀化后，多晶粒的协同变形使内应力 有效释放，延缓了裂纹的形成和扩展，从而提高了 抗拉强度和断后伸长率。

3 结 论

1． 双螺旋搅拌工艺对初生晶粒尺寸有显著影 响，随着搅拌温度的降低，合金中的 α-Mg 初生相 逐渐增多，但是晶粒尺寸变化不是很大; 随着搅拌 时间延长，镁合金晶粒尺寸逐渐增大; 随着搅拌速 度的增加，镁合金平均晶粒尺寸减少。

2． 对双螺旋搅拌后的半固态浆料进行压铸， 初生 α 相由搅拌中形成的球状晶及压铸过程中二 次凝固形成的更为细小的球状晶组成。

3． 流变压铸后的组织比普通压铸组织更为细小均匀，铸造缺陷明显减少，因此抗拉强度和断后 伸长率都有明显提高。