機(jī)械振動(dòng)對(duì)Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織及力學(xué)性能的影響

賴德森 劉峰 周全

【摘 要】研究了機(jī)械振動(dòng)條件下在不同的振動(dòng)電壓、振動(dòng)頻率以及鑄型預(yù)熱溫度時(shí)Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織及力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)調(diào)整機(jī)械振動(dòng)的參數(shù)和鑄型預(yù)熱溫度，可以使Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的凝固組織和力學(xué)性能得到改善。當(dāng)振動(dòng)電壓在0～300V范圍內(nèi)或振動(dòng)頻率在0～75Hz范圍內(nèi)增大時(shí)，合金的晶粒尺寸逐漸減小;當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度在200～600℃范圍內(nèi)升高時(shí)，合金的晶粒尺寸逐漸增大。而合金的晶粒尺寸越小，其抗壓強(qiáng)度越高;當(dāng)振動(dòng)電壓為220V，振動(dòng)頻率為75Hz時(shí)，與未處理合金相比，合金的抗拉強(qiáng)度提高了26.4%。

【關(guān)鍵詞】Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金;機(jī)械振動(dòng);凝固組織;力學(xué)性能

【中圖分類(lèi)號(hào)】TG 146.2;TG292

Abstract：Solidification structure and mechanical properties of Mg-Y-Cu-Zr-Sr alloy under mechanical vibration were investigated at different vibration voltage，vibration frequency and mold temperature. It is found that adjusting the parameters of mechanical vibration and the mold temperature can improve the solidification structure of the alloy and its mechanical properties. When the vibration voltage is at 0～300V or the vibration frequency is at of 0～75Hz，with the increase of vibration voltage or vibration frequency，grain size of the alloy decreases gradually. When the mold temperature is at 200～600℃，as the mold temperature increases，grain size of the alloy increases gradually. With the refinement of the alloy grains，the compressive strength of the alloy increases gradually. When the vibration voltage is 220V and the vibration frequency is 75Hz，compared with the untreated alloy，the compressive strength of the alloy is increased by 26.4%.

Key words：Mg-Y-Cu-Zr-Sr alloy，mechanical vibration，solidified structure，mechanical properties

鎂合金是一種密度低、比強(qiáng)度高、減震性能良好、抗電磁干擾能力優(yōu)異的材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船化工及3C領(lǐng)域 [1]。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)周期有序堆垛結(jié)構(gòu)的鎂合金具有更高的綜合力學(xué)性能[2-3]。Kawamura等[4]發(fā)現(xiàn)Mg-Y-Cu合金中具有18R長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，但由于其常規(guī)鑄造條件下晶粒比較粗大，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的第二相分布不均勻?qū)е缕渚C合性能較差，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。

鎂的Hall-Petch系數(shù)k值為鋁的4倍，意味著對(duì)于HCP結(jié)構(gòu)的鎂合金，細(xì)晶強(qiáng)化效果更為顯著[5]。目前，細(xì)化鎂合金晶粒的措施有：過(guò)熱法、熔劑處理法、添加合金元素、施加外場(chǎng)（電磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)及超聲波等）、快速冷卻和固態(tài)形變法[6]。機(jī)械振動(dòng)因其設(shè)備簡(jiǎn)單，細(xì)化晶粒的效果顯著，環(huán)境友好而受到廣大研究人員的關(guān)注。張黎等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在0～300V范圍內(nèi)，當(dāng)振幅電壓提高，ZA27合金的初生α相發(fā)生明顯細(xì)化;當(dāng)電壓為300V時(shí)，合金的抗壓強(qiáng)度比未處理時(shí)提高了26.4%。胡世平等[8]發(fā)現(xiàn)隨著振動(dòng)電壓或振動(dòng)頻率的增大，AZ91-0.4Ca鎂合金的初生晶粒逐漸細(xì)化;當(dāng)振幅電壓為300V時(shí)，合金的晶粒尺寸由未處理時(shí)的334μm減小至176μm，其抗拉強(qiáng)度提高了68.9%。謝小華[9]研究發(fā)現(xiàn)，在0～2mm范圍內(nèi)，隨著振幅的增大，高溫合金K4169的凝固組織漸漸得到細(xì)化;在1～100Hz范圍內(nèi)，當(dāng)振動(dòng)頻率逐漸增大，合金的凝固組織先發(fā)生細(xì)化而后又粗化。石鳳武等[10]發(fā)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)能有效細(xì)化ZL101A合金組織，當(dāng)振幅為1.0mm和振動(dòng)頻率為100Hz時(shí)，其凝固組織最細(xì)小，力學(xué)性能最優(yōu)異。前面的研究者主要研究了粗大晶粒合金在機(jī)械振動(dòng)下的凝固組織及性能，但是關(guān)于機(jī)械振動(dòng)處理細(xì)小晶粒合金的研究報(bào)道較少。為此，本文研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)細(xì)晶Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織和力學(xué)性能的影響，希望為進(jìn)一步細(xì)化LPSO增強(qiáng)鎂合金的凝固組織和提高其綜合力學(xué)性能奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金，它的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：Y 6.84%，Cu 2.46%，Zr 0.6%，Sr 0.05%，其余為Mg，Y、Cu、Zr和Sr元素的添加方式分別為Mg-30Y、Mg-30Cu、Mg-30Zr和Mg-25Sr中間合金。

1.2 機(jī)械振動(dòng)處理裝置

采用課題組自主研發(fā)的機(jī)械振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，其示意圖如圖1所示。該裝置包括變壓器、變頻器、電磁鐵、銜鐵及共振彈簧等部件。通過(guò)變壓器，振動(dòng)電壓可以進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)的范圍為0～300V;振動(dòng)頻率可用變頻器調(diào)節(jié)，頻率的調(diào)節(jié)范圍為1～100Hz。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用低碳鋼坩堝并通入CO2和SF6的混合氣體作為保護(hù)氣體熔煉Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金。合金熔化后，對(duì)其精煉和保溫處理。保溫處理后，將鑄型預(yù)熱至指定溫度，并把熔融合金澆注到鑄型中，隨后設(shè)置機(jī)械振動(dòng)參數(shù)并開(kāi)啟機(jī)械振動(dòng)設(shè)備，直到合金完全凝固。本文研究了機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)電壓、振動(dòng)頻率和鑄型預(yù)熱溫度對(duì)Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金凝固組織和力學(xué)性能的影響，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

將凝固的合金從鑄型中取出切開(kāi)，在相同位置取樣，對(duì)試樣研磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)2%的硝酸酒精溶液腐蝕。采用型號(hào)為XJP-6A的光學(xué)顯微鏡觀察和拍攝合金的初生相形貌，通過(guò)S-Viewer軟件并采用截線法測(cè)量合金的晶粒尺寸，并取平均值。

將線切割好的試樣，在WDW-50型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試棒的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中每個(gè)試樣取3根壓縮試棒，壓縮速率均設(shè)定為2mm/min。壓縮試棒的規(guī)格為Φ6×10mm。進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，以試樣被壓斷時(shí)的極限強(qiáng)度為準(zhǔn)，記錄下三個(gè)試樣的極限強(qiáng)度后取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1合金的凝固組織

圖 2-1為未處理時(shí)和機(jī)械振動(dòng)處理時(shí)Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金典型的凝固組織。由圖可知，未處理時(shí)，合金為比較粗大的薔薇狀晶體;通過(guò)機(jī)械振動(dòng)處理后，合金的凝固組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的薔薇狀晶體，合金第二相的分布變得連續(xù)和均勻。

圖3-圖5為不同振動(dòng)電壓、振動(dòng)頻率和鑄型預(yù)熱溫度下Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的晶粒尺寸。從圖中可以看出，當(dāng)振動(dòng)電壓在0～300V范圍內(nèi)、振動(dòng)頻率在1～75Hz范圍內(nèi)增大或鑄型預(yù)熱溫度在200～600℃范圍內(nèi)降低時(shí)，合金的晶粒尺寸逐漸減小。當(dāng)振動(dòng)電壓為220V，振動(dòng)頻率為75Hz時(shí)，合金的晶粒尺寸由未處理的238μm細(xì)化至處理后的170μm;當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，合金的晶粒尺寸最小為150μm。

Mg-Y-Cu-Zr-Sr屬于細(xì)晶組織的合金，合金初生α- Mg晶粒不是特別粗大，因此機(jī)械振動(dòng)對(duì)合金晶體生長(zhǎng)無(wú)顯著影響，而主要是改變合金的形核率來(lái)使凝固組織得到細(xì)化。隨著振動(dòng)電壓和振動(dòng)頻率的增加，振動(dòng)攪拌作用增強(qiáng)，使液態(tài)合金表面的凝固層破碎、游離和增殖，產(chǎn)生大量形核核心;同時(shí)，振動(dòng)引起熔體上下運(yùn)動(dòng)的效果增強(qiáng)，在熔體中形成空穴，周?chē)饘僖撼涮畹奖罎⒌目昭〞r(shí)產(chǎn)生很高的壓力，使合金的熔點(diǎn)溫度升高，從而增大了它的過(guò)冷度，有利于形成新的晶核[11]。形核率提高，故Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的晶粒逐漸細(xì)化。

隨著鑄型預(yù)熱溫度的變化，晶粒的細(xì)化程度由鑄型預(yù)熱溫度和機(jī)械振動(dòng)作用時(shí)間綜合決定。當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度增加，Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的冷卻速度降低，過(guò)冷度減小，使合金晶粒粗化，而機(jī)械振動(dòng)作用時(shí)間增長(zhǎng)，對(duì)合金的凝固組織又具有細(xì)化作用。本實(shí)驗(yàn)中，鑄型預(yù)熱溫度較低時(shí)，在機(jī)械振動(dòng)與快速冷卻的兩方面影響下，合金的初生α- Mg晶粒最細(xì)小，這時(shí)機(jī)械振動(dòng)對(duì)組織細(xì)化的作用較小;當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度較高時(shí)，機(jī)械振動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)促進(jìn)了機(jī)械振動(dòng)的作用，而晶體生長(zhǎng)的時(shí)間也相應(yīng)增大了，最終合金的初生α- Mg相仍有所粗化。

2.2合金的壓縮力學(xué)性能

圖6-圖8分別為振動(dòng)電壓、振動(dòng)頻率和鑄型預(yù)熱溫度對(duì)合金抗壓強(qiáng)度的影響。由圖可知，隨著機(jī)械振動(dòng)電壓、振動(dòng)頻率的增大或鑄型預(yù)熱溫度的降低，合金的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。未經(jīng)過(guò)機(jī)械振動(dòng)處理時(shí)，合金的抗壓強(qiáng)度為307MPa，經(jīng)過(guò)機(jī)械振動(dòng)處理之后，合金的壓縮力學(xué)性能顯著提高;當(dāng)振動(dòng)電壓為220V，頻率為75Hz時(shí)，合金的抗壓強(qiáng)度達(dá)到388 MPa，較常規(guī)鑄造條件下提高了26.4%。另一方面，降低鑄型的預(yù)熱溫度也能提高合金的壓縮力學(xué)性能;當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，合金的抗壓強(qiáng)度最高為408 MPa。

機(jī)械振動(dòng)作用下，Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的抗壓強(qiáng)度變化情況基本與凝固組織的變化保持一致性。根據(jù)Hall-petch公式[12]：

式中：σ為金屬材料的強(qiáng)度;σ0和k是與材料有關(guān)的常數(shù);d為晶粒平均直徑。

由式（1）知，隨著晶粒尺寸的減小，金屬材料的強(qiáng)度逐漸增大。晶粒越細(xì)小，相對(duì)來(lái)說(shuō)，合金的晶界數(shù)量會(huì)增多，晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用增強(qiáng)，這樣合金發(fā)生塑性變形時(shí)，就需要更大的外力和能量。因此，晶粒越細(xì)，合金的抗壓強(qiáng)度越高。

該合金的力學(xué)性能除與晶粒大小有關(guān)外，在很大程度上還取決于第二相的分布情況。采用機(jī)械振動(dòng)工藝處理后，主要的第二相Mg12Y1Cu1分布變得更加均勻和連續(xù)，也改善了Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的力學(xué)性能。

3結(jié)論

1）通過(guò)控制機(jī)械振動(dòng)參數(shù)和鑄型預(yù)熱溫度可以有效改善Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的凝固組織和力學(xué)性能。

2）當(dāng)振動(dòng)電壓在0～300V范圍內(nèi)或振動(dòng)頻率在1～75Hz的范圍內(nèi)，隨著振動(dòng)電壓或振動(dòng)頻率的提高，Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的晶粒尺寸逐漸減小。

3）當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度在200～600℃范圍內(nèi)提高時(shí)，合金的晶粒尺寸逐漸增大。

4）合金的抗壓性能與晶粒大小對(duì)應(yīng);隨著晶粒的細(xì)化，Mg-Y-Cu-Zr-Sr合金的抗壓強(qiáng)度逐漸提高;當(dāng)振動(dòng)電壓為220V，振動(dòng)頻率為75Hz時(shí)，與未處理合金相比，其抗拉強(qiáng)度提高了26.4%。

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作者簡(jiǎn)介：

賴德森（1998-），江西贛州人，本科生。

（作者單位：南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院）