通过旋转容器工艺制备的半固态铸造AZ91和AZ91-1%Ca镁合金的微观结构评估与力学性能研究

AZ91合金通过半固态流变铸造结合剪切应力调控，形成非枝晶结构，并添加1%钙实现性能优化，最终显著提升强度与韧性。

　　

E. Ghaniabadi | S.G. Shabestari | E. Heidari

伊朗科学技术大学（IUST）冶金与材料工程学院，地址：16846-13114，Narmak，德黑兰，伊朗

摘要

采用半固态流铸方法并施加剪切应力，成功制备出了AZ91合金的非枝晶组织。通过对半固态过程进行热分析，确定了温度、剪切应力与固相分数之间的关系。金相结果显示，在容器转速为180 RPM和210 RPM的情况下，确实形成了非枝晶微观结构。非枝晶组织的形成机制涉及有效位移流体的产生，这增加了晶核的数量，从而促进了初始枝晶的多方向生长，减少了温度和浓度梯度，并使次级枝晶臂的根部重新熔化。

在180 RPM的转速下，将剪切应力施加到半固态混合物中时，获得了最高球形度（0.72）、最大的表面密度和最小的晶粒尺寸。在相同条件下，材料的抗压极限强度、屈服强度和冲击韧性分别提高了25%、33%和49%。向AZ91合金中添加1%的钙后，这些性能分别提高了26%、57%和48%。在最佳条件下进行半固态处理并添加1%的钙时，抗压极限强度、屈服强度和韧性分别提高了50%、88%和85%。本研究的一个重要发现是强度和延展性的同时提高，从而显著增强了材料的韧性。实际上，当在最佳条件下应用旋转容器工艺（RCP）时，AZ91和AZ91-1Ca合金的样品吸收的能量分别比受到冲击载荷的断裂样品高出49%和85%。

引言

AZ91（约9 wt% Al，1 wt% Zn）是最常用的镁铸造合金；几乎90%的镁铸件都是由这种合金制成的[1]。由于其密度约为常见铝合金的三分之二，AZ91成为汽车和航空航天部件的理想轻质替代材料。除了低密度外，AZ91还具有较高的强度重量比、良好的减振性能、耐腐蚀性以及在受控气氛下的可焊性[2]。其铸态微观结构通常由枝晶α-Mg和枝晶间的Mg₁₇Al₁₂组成[3]。然而，大量研究表明，抑制枝晶形态并促进接近球形的非枝晶α-Mg的形成可以显著提高材料的机械性能[4]、[5]、[6]。

半固态加工通过在固相线与液相线之间的糊状区域进行铸造来实现这一目标，从而生成球形初生相[7]。技术上主要有两种方法：触变铸造（Thixocasting），该方法先形成非枝晶坯料，然后再进行部分重熔和成型；以及流铸（Rheocasting），该方法直接制备和铸造半固态浆料[7]。对于半固态浆料中枝晶的破碎和球形化过程，已经提出了多种机制。Spencer等人首次描述了剪切应力引起的枝晶臂塑性弯曲、错位积累以及当局部错位超过约20°时发生的晶间熔体渗透现象[8]。其他模型则强调由固液界面的热热点或溶质热点驱动的枝晶根部局部重熔[9]。在局部过冷条件下，高形核率可以减小平均自由路径，限制竞争性生长，并促进颗粒的球形化[10]、[11]。与此一致的是，强烈的搅拌（例如通过惰性气体鼓泡）已被证明可以均匀温度和成分，减少成分过冷，抑制枝晶生长，并在Al和Mg合金中生成球形初生相[12]、[13]。

在流铸方法中，旋流焓平衡装置（SEED）通过在部分凝固过程中施加整体剪切来减小径向温度梯度和溶质偏析[14]、[15]。对Al合金（如A356、7075）的实验表明，控制容器在半固态范围内的旋转可以引入剪切应力，增加形核位点的密度，并使结构转变为非枝晶球形；关键在于实现层流层位移——流动过于缓慢或过于湍流都会降低球形度[15]、[16]、[17]。由于Mg熔体具有较高的氧化倾向，将SEED技术直接应用于Mg熔体较为复杂。为了克服这一限制，我们将SEED概念改进为旋转容器工艺（RCP），在氧化可控的环境中对AZ91施加剪切应力，以稳定生产非枝晶浆料。

在Mg–Al–Zn体系中，添加钙可以进一步调控性能和微观结构。钙的添加可以改善机械性能，减少熔体氧化和泄漏，并提高热处理效果[18]。在AZ91合金中，钙改变了枝晶细胞的形态并细化了Mg₁₇Al₁₂相；增加钙含量通常会降低Mg₁₇Al₁₂的体积分数[19]。当钙含量达到约1 wt%时，晶粒细化效果最为明显，这通常归因于氢的相互作用（形成CaH2）以及钙的高生长抑制因子（GRF）[20]、[21]、[22]。据报道，当钙含量约为1 wt%时，材料的抗压极限强度和延展性可提高约10%，而屈服强度先达到峰值后略有下降，这通常与固溶强化及随后的沉淀/形态变化有关[19]。

材料

本研究使用了两种镁合金：AZ91和AZ91-1%Ca。高纯度镁锭（纯度为99.9 wt%）在抗氧化剂和惰性氩气保护下，在720°C的温度下在钢坩埚中熔化。随后向熔融合金中添加了铝（Al）和锌（Zn）等合金元素，并以Al-10Ca中间合金的形式引入了钙（Ca）。经过10分钟的保温时间后...

化学成分

AZ91和AZ91-1Ca合金的化学成分通过火花发射光谱（SES）进行分析，并在表3中呈现。

图2（a）显示了AZ91合金的X射线衍射图谱。如预期，检测到了α-Mg和Mg₁₇Al₁₂相。这一结果证实该合金中不存在单独的Zn相，唯一的相是α-Mg和Mg₁₇Al₁₂共晶相。图2（b）显示了含有...

结论

本研究探讨了半固态旋转容器工艺（RCP）以及添加1%钙元素对AZ91镁合金微观结构和机械性能的影响。主要结果如下：

• -
  将熔体温度降至580°C后，发现150 RPM的旋转速度不足以产生流体位移流，也无法形成非枝晶微观结构。

作者贡献声明

Saeed G. Shabestari：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、方法论、数据分析、概念化。 E. Ghaniabadi：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、方法论、数据管理、概念化。 E. Heidari：撰写 – 原始草稿、方法论、数据管理、概念化。

未引用的参考文献

[26]

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的利益冲突。

致谢

作者感谢伊朗科学技术大学（IUST）的先进凝固研究实验室（ASRL）的支持。