原標題：近液相線溫度注射對AZ91D合金組織和力學性能的影響

摘要

本文研究了基于AZ91D合金的近液相線溫度下，采用注射成型法制備半固態鎂合金，分析了不同溫度下AZ91D合金的顯微組織，并測試其室溫力學性能。利用光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM/EDS）觀察合金組織；采用X射線衍射儀（XRD）進行相組成分析。結果表明，AZ91D合金中主要由α-Mg基體、β-Mg17Al12相組成；注射溫度為595℃和600℃時，有利于獲得精細且彌散分布的初生球狀晶；595℃和600℃注射成型的AZ91D合金力學性能最優，抗拉強度(UTS)、屈服強度(YS)、伸長率(EL)分別為274MPa和269MPa、163MPa和162MPa、8.4%和6.1%，均高于國家標準規定液態壓鑄件的下限值。

鎂合金是工程應用中最輕的金屬結構材料，具有重量輕、比強度和比剛度高、阻尼性能好、導熱性好、易于回收等一系列獨特性能。因此，它被視為21世紀的一種綠色環保材料，將成為汽車和3C（計算機、通信和消費電子）行業的關鍵材料，其合金的研究已成為一個全球性的問題。除了上述諸多優點以外，由于鎂及其合金屬于密排六方（HCP）晶體結構，無同素異構體和滑移系少，其變形機制主要分為滑移和孿生，導致其合金室溫塑性變形能力較差。目前，鎂合金結構件的成型工藝主要以壓鑄、半固態注射成型為主。壓鑄成型具有高產能、尺寸控制精密且可成型幾何形狀復雜的工件等優點，但是由于壓鑄成型速度高，金屬漿料在填充時易出現裹氣、紊流現象，致使鑄件容易產生細小的氣孔和縮松，造成力學性能下降、無法熱處理、氣密性差等問題，無法成型薄壁部件。近液相線成型是基于液相線上下20℃溫度區間進行澆注，可以減緩晶粒的生長速率，改變晶粒大小，起到細晶強化的效果，也是近年來發展起來的一種新型的半固態制備方法。與普通鑄造成型的鎂合金相比，半固態注射成型的鎂合金具有缺陷少、力學性能優異的優點，可以實現近終成形的加工特點，在近年被積極地引入商用。國外，Czerwinski等人最早開展鎂合金成型工藝研究，結果表明，將合金溫度嚴格控制在液相線水平附近的范圍內，產生了具有高完整性的結構，由細小的近等軸α-Mg晶粒組成，周圍大多是不連續的β-Mg17Al12金屬間化合物沉淀。其中，初生固相要么完全不存在，要么少量（≤5%）存在，其形態從球狀到退化的花瓣狀不等。國內，樂啟熾等人開展了不同冷卻速率對Mg-Al系合金的性能研究，主要是將近液相線成形技術集成到半固態Mg-Al系鎂合金。王開等人的研究結果發現在595℃附近溫度鑄造時，合金組織呈現非枝晶結構，晶粒細小，形狀因子接近1。汪存龍等人論證了液態擠壓鑄造和近液相線擠壓鑄造 Mg-Gd-Y-Zr合金在不同熱處理狀態下的強化機制，并定量計算了各強化機制的強度貢獻。Qi等人[13]研究了澆注溫度和圓筒溫度對流變注射成型AZ91D合金組織和力學性能的影響。結果表明，適當降低澆注溫度或圓筒溫度有助于改善流變成型AZ91D的力學性能，以細化α-Mg顆粒，降低孔隙率。

目前，鋁合金近液相線成型技術的日趨成熟，同屬于輕合金的鎂合金基于近液相線半固態注射成型逐漸引起學者的廣泛關注，但是此技術在鎂合金中應用得較少。因此，本課題主要集成近液相線成型工藝與半固態注射成型設備于一體，研究了近液相線溫度注射對半固態AZ91D合金顯微組織和室溫力學性能的影響，旨在為改善半固態鎂合金的力學性能提供依據。

1試驗材料及方法

本試驗采用寶武鎂業集團生產的商用AZ91D合金材料，其合金化學成分如表1所示。已有文獻研究表明，AZ91D合金的固液相線的溫度區間為470℃～595℃。試驗設備為伊之密股份有限公司自研的UN650MG II鎂合金注射成型機，將規格為4mm×1.5mm×1.5mm的顆粒狀AZ91D合金通過旋轉螺桿的輸送與剪切，在模具溫度為280℃，壓射速度為2.3～2.5m/s，鎖模力為6500kN，經過料筒的加熱逐漸變成半固態的漿料停留在螺桿前端，測得漿料溫度分別為580℃、590℃、595℃、600℃及620℃條件下，螺桿向前注射，將半固態漿料注入封閉的模具型腔中直接成型，其注射成型工作原理如圖1所示。

表1 AZ91D鎂合金的化學成分（wt.%）

圖1 AZ91D半固態鎂合金制備工藝示意圖

將試樣分別用800～3000#SiC砂紙打磨、精拋，經腐蝕后獲得顯微組織觀察試樣，采用4%硝酸酒精溶液浸蝕5～10s。利用Smartzoom 5蔡司光學顯微鏡觀察合金的OM組織，借助金相分析軟件計算合金初生相α-Mg的固相率(S)和形狀因子(F)，計算公式見（1）(2)；選用場發射電子掃描電鏡(Hitachi-S4800)配備德國 Bruker Quantax 能譜分析系統觀察合金組織、尺寸及分布狀態；利用Cu靶的PW3040/60型X衍射儀（XRD）分析合金物相組成。根據國家標準 GB/T 13822-2017《壓鑄有色合金試樣》對合金拉伸測試要求，其試樣具體參數如圖2所示，并采用電液伺服疲勞試驗機（LF5105）對該合金進行室溫拉伸測試，拉伸速率為2.5mm/min。

式中，A0 表示半固態組織單個顆粒的面積；As 表示晶粒的總面積，N為固相顆粒數量，P0 表示固相顆粒的周長。其中，形狀因子F的值越接近于1 時，則表明在組織中固相顆粒的圓整度越高。

圖2 拉伸試樣尺寸（單位：毫米）

2測試結果及討論

2.1 半固態AZ91D合金顯微組織

從圖3和圖4可以看出，固相分數(S)和形狀因子(F)可以通過漿料溫度控制，隨著溫度的升高S和F呈下降趨勢。620℃下，該合金中沒有觀察到α-Mg顆粒，在基體中出現一定數量的孔隙，如圖 3(e)、(f) 所示。隨著注射溫度從580℃升至600℃，α-Mg顆粒逐漸變細，均呈現出半固態組織。其中，580℃和590℃的AZ91D合金固相率較多，主要是此溫度下的黏性增大且流動性小，組織中初生的α-Mg已經形成并開始長大；當溫度為595℃和600℃時，這兩個合金的晶粒尺寸較小且分布較為均勻，固相率(S)、形狀因子(F)分別為3.2%和2.5%，0.62和0.55。結合圖3中初生相α-Mg的形態演變可以得出，595℃和600℃注射成型有利于獲得精細且彌散分布的初生球狀晶，對合金力學性能的提高起到了積極作用。

圖3 不同溫度注射成型的AZ91D合金OM組織：(a)580℃；(b)590℃；(c)595℃；(d)600℃；(e)620℃；(f)620℃局部放大

圖4 AZ91D在不同溫度下注射成型的固相率和形狀因子

為了確定不同溫度下注射成型AZ91D合金中的物相組成，選取595℃和620℃成型的AZ91D合金進行XRD分析，結果如圖5所示。測試結果表明，經不同溫度下注射成型的AZ91D合金析出相沒有發生改變，主要由α-Mg基體和金屬間化合物β-Mg17Al12兩相組成。除此之外，還存在少量Al-Mn相，由于其數量不足，特征峰并未出現在XRD圖譜中，這與趙春芳等人研究結果一致。

圖5 AZ91D鎂合金XRD圖譜

為了進一步確定合金析出相的形貌、分布及特定區域元素含量，對這該合金做了掃描電鏡（SEM）和典型析出相能譜（EDS）分析。圖6為不同溫度下成型AZ91D合金的SEM形貌，從中可以看出，這五個合金均由黑色基體和灰白色沿晶界分布的第二相β-Mg17Al12相組成，其中，580℃的合金晶粒輪廓清晰、第二相于沿晶界連續網狀分布、形狀飽滿而圓整，結合圖3（a）為典型的等軸球晶；595℃和600℃合金組織中第二相不連續分散釘扎在晶界上；590℃和620℃合金中第二相則呈現出半連續的網狀分布在基體上。

圖6 不同溫度注射成型的AZ91D合金SEM形貌：(a)580℃；(b)590℃；(c)595℃；(d)595℃局部放大；(e)600℃；(f)620℃

選取595℃和620℃注射成型的合金典型區域進行SEM-EDS面掃及點分析，分析結果如圖7與表2所示。圖（a）中B點組織形態，主要由Mg元素與少量溶質元素Al組成，這是因為Al元素在Mg 基體中仍然有一定的固溶度，結合EDS分析可知該區域為α-Mg基體。在灰白色區域處的A和C點，除基體Mg以外，還富含部分溶質Al元素子，結合表2可知，A、C點 Al元素的原子占比分別為23.56%和13.35%，遠高于9%，結合圖6的EDS面掃分析和XRD圖譜可以確定灰白色組織為β-Mg17Al12相。此外，ABC三點的面掃分析均顯示有少量的Zn與Mn富集，這是因為在凝固過程時，Zn與Mn原子在富Al區偏聚。

圖7 不同溫度注射成型的AZ91D合金EDS面掃分析

表2 不同溫度注射成型AZ91D合金中析出相EDS分析(at.%)

2.2 半固態AZ91D合金室溫力學性能

圖8為室溫條件下對不同溫度 (580℃、 590℃、595℃、600℃及620℃)注射成型的AZ91D合金棒條進行了拉伸測試。從圖中可以看出，隨著成型溫度的改變，合金的力學性能（UTS、YS、EL）也隨之變化，即隨著溫度的升高，合金力學性能呈先升高的后降低的趨勢。其中，580℃和590℃注射成型的AZ91D合金力學性能相對較差，主要是此溫度低于該合金的液相線溫度較多，漿料處于半固態，其黏性增大且流動性小，易出現孔隙且組織中初生的α-Mg已經形成并開始長大。595℃和600℃注射成型的AZ91D合金力學性能最優，其抗拉強度(UTS)、屈服強度(YS)、伸長率(EL)分別為274MPa和269MPa、163MPa和162MPa、8.4%和6.1%。這主要是歸功于該合金中第二相分散釘扎在晶界，起到對位錯運動阻礙的作用。眾所周知，凝固條件決定相的形狀和分布，試驗中AZ91D合金均由初生相α-Mg和第二相β-Mg17Al12組成。結合圖6可看到低溫（580℃和590℃）時，該合金組織第二相β-Mg17Al12相對粗大且聚集，大部分沿晶界呈網格狀連續分布，這會導致合金強度和塑性下降。相反，高溫時第二相相尺寸較小，不連續且呈均勻彌散分布，晶粒尺寸減少有利于提高合金的力學性能。總體來看，參照現行液態壓鑄標準GB/T 25747-2022《鎂合金壓鑄件》，595℃、600℃和620℃注射成型的AZ91D合金力學性能均高于標準規定值，其中，595℃和600℃成型的合金力學性能指標最優。

圖8 不同溫度注射成型的AZ91D合金室溫拉伸性能

室溫條件下，鎂合金為HCP晶體結構，滑移系較少，一般為脆性斷裂起主導作用。結合圖9不同溫度成型的AZ91D合金低倍和高倍的SEM斷口形貌可以發現，斷口由解理面、撕裂棱以及少量的韌窩組成，即呈現典型的脆性斷裂。隨著溫度的升高，拉伸斷口中解理平面數量變少，出現少量韌窩。其中，595℃和600℃合金的斷面較為平齊，光亮，存在少量的韌窩且深度大，進一步說明兩者的塑性相對較好。塑性大小順序為：595℃＞600℃＞620℃＞590℃＞580℃。結合微觀結構和力學性能，可以得出結論，最佳溫度注射應控制在595～600℃之間。在這種條件下，觸變成型AZ91D合金不僅具有理想的組織結構和較高的力學性能，而且節省了能源，降低了對模具的熱沖擊，延長使用壽命。

圖9 不同溫度注射成型的AZ91D合金室溫拉伸斷口形貌：(a)580℃；(b)590℃；(c)595℃；(d)600℃；(e)620℃

3結論

（1）AZ91D合金中主要由?-Mg基體、β-Mg17Al12相組成，析出相不隨溫度的變化而改變。注射溫度為595℃和600℃時，有利于獲得精細且彌散分布的初生球狀晶，這兩個合金的固相率(S)、形狀因子(F)分別為3.2%和2.5%，0.62和0.55。

（2）隨著溫度的升高，AZ91D合金力學性能呈先升高的后降低的趨勢，其中，595℃和600℃注射成型的AZ91D合金力學性能最優，抗拉強度(UTS)、屈服強度(YS)、伸長率(EL)分別為274MPa和269MPa、163MPa和162MPa、8.4%和6.1%，均高于國家標準規定液態壓鑄件的下限值。

作者：

郭春榕 陳熾輝 陳勇 李祥
伊之密股份有限公司
廣東省智能化模壓成型裝備企業重點實驗室
謝勝川 王加軍 王宏平 傅俠
寧波星源卓鎂技術股份有限公司