Ca对Mg-5Al-8Zn-xCa镁合金显微组织与力学性能的影响

发布时间：2021-03-31 07:08

　　采用重力铸造法制备了Mg-5Al-8Zn-x Ca（x=0,1.75,2.0,2.25,2.5,2.75,3.0,wt%）合金。使用XRD、OM和SEM等研究了Ca含量对合金组织与力学性能的影响。结果表明:铸态Mg-5Al-8Zn-x Ca合金主要由α-Mg基体、β-Mg17Al12相、Mg32（Al,Zn）49相及MgZn2相和Al2Ca相组成。当Ca含量从1.75wt%增加到2.75wt%时,基体晶粒显著细化,β-Mg17Al12相由粗大的连续网状转变为细小的断续网状分布于晶界上,层片状Al2Ca相也显著细化,此时合金的拉伸强度达到最大值138 MPa,较未加Ca时提高了27.8%;Ca含量继续增加至3.0wt%,晶粒又发生粗化,合金拉伸强度发生下降;拉伸断裂形式均为准解理脆性断裂。 

【文章来源】：宇航材料工艺. 2020,50(05)北大核心CSCD

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【部分图文】：

Mg-5Al-8Zn-x Ca合金的XRD图谱

图2为铸态Mg-5Al-8Zn-x Ca合金的显微组织。可见，未加Ca时，β-Mg17Al12相主要呈粗大（宽化）的网状分布于晶界上，使晶界出现了宽化现象[2(a）]。随着Ca的添加及其含量的逐渐增大，β-Mg17Al12相发生了显著变化，同时，晶界上出现了层片状物相。图3及表2、表3为添加2%Ca和2.25%Ca时，合金中第二相的SEM貌及EDS分析结果。并结合图1的XRD分析可知，当添加2.0%Ca时，β-Mg17Al12相主要呈不规则的条棒状和点状，如图3(a）中A、B、E点；此时，微量的Al2Ca相应该为细小点状，由于含量很少，与β-Mg17Al12相混为一体而难以分辨，如图3(a）中A点。当添加2.25%Ca时，晶界上出现了层片状物相，如图3(b）中A、B点域，结合杨光昱[10]和B.JING等[18-20]的研究结果，可知应为Al2Ca相；Mg32(Al,Zn)49相以及MZn2相主要呈点、块状分布于α-Mg基体内和晶界上[21][图3(b）]。同理可知，当添加（2.5,2.75,3.0)%Ca时，层片状Al2Ca相及网状β-Mg17Al12相逐渐细小化[图2(e）～（g）]。根据上述分析，由图2可以看出，当添加1.75%Ca和2.0%Ca时，β-Mg17Al12相由原来粗大的连续网状逐渐转变为相对细小的断续网状分布于晶界上，表明其含量减少；与此同时，出现少量Al2Ca相并存在于β-Mg17Al12相中；基体晶粒尺寸逐渐减小[图2(b)(c）]。当添加2.25%Ca和2.5%Ca时，合金中出现了大量粗大的层片状Al2Ca相，与原来较为粗大的断续状β-Mg17Al12相共存于晶界上；基体晶粒尺寸没有明显变化[图2(d)(e）]。当添加2.75%Ca时，晶界上的层片状Al2Ca相及网状β-Mg17Al12相显著细小化；基体晶粒尺寸进一步减小[图2(f）]。当添加3.0%Ca时，原来细小的层片状Al2Ca相及网状β-Mg17Al12相的形貌及分布未发生明显变化；但基体晶粒尺寸显著增大，出现了明显的粗化现象[图2(g）]。

在合金凝固过程中，溶质元素的偏析能力及形核作用对铸态合金组织的细化有着重要的影响[16]。研究表明[22],Ca具有强烈的偏析能力和较强的形核作用，适量的Ca能有效细化铸态组织，但过量的Ca可能导致晶粒发生粗化[6]。在凝固初期，部分Ca富集于晶体生长界面前沿[14]，阻碍晶粒生长，细化了晶粒[23-24]；同时，加入的Ca将使固/液界面液体产生较大的成分过冷，促使形核，提高形核率，从而细化晶粒[24-25]。另一部分Ca与Al结合形成Al2Ca化合物，其中，部分Al2Ca存在于过冷层并作为α-Mg有效的异质形核核心，细化晶粒[23]；其余的Al2Ca则偏聚于晶界处[15]，阻碍晶粒长大，细化了晶粒。随Ca含量逐渐增加，Al2Ca析出相的体积分数增大，晶粒逐渐细化[25]。但当Ca含量超过一定值后，会增加合金的凝固潜热，使固/液界面前沿温度升高，减小过冷度[24]，降低形核率，导致晶粒发生粗化[26]；而且，添加过量Ca后形成的大量Al2Ca易发生聚集，从而导致有效的异质形核数减少，使晶粒的细化效果减弱[6]，最终也会导致晶粒粗化。在本试验中，当Ca含量为2.75%时，晶粒细化效果达到最佳[图2(f）]；当Ca含量为3.0%时，晶粒发生显著粗化[图2(g）]。Ca含量的变化对Al2Ca相和β-Mg17Al12相的形貌、尺寸及体积分数等也产生重要影响。本试验中，随Ca含量逐渐增加，原来分布于晶界的细小点状共晶Al2Ca相逐渐转变为相对粗大的层片状[10]，它阻碍了β-Mg17Al12相的生长[16-17]，从而使β-Mg17Al12相形貌也发生变化。从表面能的角度进行分析，有研究发现[13]，相间表面能（相表面积与单位表面能的乘积）对共晶组织形貌有重要影响，即相间表面能增大或减小都会使合金相的形貌发生相应的改变。本试验研究中，随着Ca含量从1.75%逐渐增加到3.0%,Al2Ca相的体积分数逐渐增大，Al2Ca相的相表面积增大，从而提高了相间表面能[18,27]，最后导致Al2Ca相呈层片状分布于晶界上；与此同时，由于形成的Al2Ca相的体积分数逐步大，使合金中Al的含量逐渐减少，导致β-Mg17Al12相的体积分数减小，相间表面积减小，最终使相间表面能降低[18,27]，结果使β-Mg17Al12相逐渐呈细小、断续状分布于晶界上[图2(b）～（g）]。

【参考文献】：
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本文编号：3111025