郭 璐，李秋書(shū)，張 炎，朱乾科，武雅璐，于鵬程

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

Mg-Mn系合金作為研究較早的變形鎂合金，由于其良好的焊接性和耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天領(lǐng)域。但相對(duì)于其他變形鎂合金來(lái)說(shuō)，關(guān)于Mg-Mn系合金的研究還較少，且關(guān)于其定向凝固的報(bào)道更是少見(jiàn)[1-2]。定向凝固的目的是為了使鑄件獲得按一定方向生長(zhǎng)的柱狀晶或單晶組織，從而改善材料的的力學(xué)性能。為了獲得更好的力學(xué)性能，通常在鎂錳合金中，加入一定量的Al，Al能與Mg形成固溶體而提升合金的強(qiáng)度和塑性，并改善氧化膜的結(jié)構(gòu)[3]。此外，采用定向凝固工藝還可以提高Al在Mg中的固溶度，使鎂合金的強(qiáng)度大大提高。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)選擇純Mg錠（99.5%），MnCl2顆粒和純Al塊（99.5%）作為材料。首先將鎂錠放入不銹鋼坩堝中，用中頻感應(yīng)電爐加熱到760℃，保溫一定時(shí)間待鎂塊全部熔化后加入MnCl2顆粒，攪拌5min～10min，使其均勻分布其中，然后降溫至730℃，加入準(zhǔn)備好的Al塊并攪拌5min，靜置一定時(shí)間后澆注于提前預(yù)熱好（250℃）的鑄鐵模具中，制作成直徑9mm，長(zhǎng)150mm的Mg-1.5Mn-Al合金試樣棒[4-6]。為了防止鎂塊在加熱熔化過(guò)程中氧化，整個(gè)加熱熔煉的過(guò)程在氬氣氛圍下進(jìn)行。

圖1所示為定向凝固設(shè)備工作示意圖。實(shí)驗(yàn)采用ZMLMC加熱法（即區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法），有利于提高溫度梯度[7]。本實(shí)驗(yàn)的溫度梯度為70K/cm.首先將預(yù)先打磨干凈的試樣棒裝在不銹鋼管中，固定在拉桿上。依次放好鋼套發(fā)熱體，陶瓷保溫套，按設(shè)定好的結(jié)晶速度（即拉動(dòng)速度）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 定向凝固示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 結(jié)晶速度對(duì)Mg-1.5Mn-Al 合金定向凝固組織的影響

圖2為Mg-1.5Mn-Al合金不同狀態(tài)下的顯微組織?？梢钥闯?，Mg-1.5Mn-Al合金的鑄態(tài)顯微組織呈現(xiàn)出明顯的網(wǎng)狀和花瓣?duì)?，?jīng)定向凝固實(shí)驗(yàn)后，其組織形態(tài)發(fā)生了很大變化，演變?yōu)閷挻蟮闹鶢罹螒B(tài)，而且有明顯的方向性特征。隨著結(jié)晶速度的不斷加大，柱狀晶的寬度逐漸變窄。

分析認(rèn)為，定向凝固固液界面前方的溫度梯度GL＞0，當(dāng)固相不斷散熱而使界面前沿熔體溫度進(jìn)一步降低時(shí)，每個(gè)晶體逆著熱流平行向內(nèi)伸展成一個(gè)個(gè)柱狀晶，在同樣的溫度梯度下，結(jié)晶速度增大時(shí)，非均質(zhì)生核能力增強(qiáng)，形核越多，柱狀晶的平均寬度越窄[8]。且在結(jié)晶過(guò)程中，存在著溶質(zhì)再分配，使得界面前方存在著成分過(guò)冷。當(dāng)結(jié)晶速度增大時(shí)，固液界面前方的成分過(guò)冷區(qū)逐漸變寬，同樣會(huì)使得柱狀晶的平均寬度逐漸變窄。

圖2 Mg-1.5Mn-Al 合金不同狀態(tài)下的顯微組織

2.2 結(jié)晶速度對(duì)Mg-1.5Mn-Y 合金力學(xué)性能的影響

圖3所示為不同結(jié)晶速度對(duì)Mg-1.5Mn-Al合金抗拉強(qiáng)度的影響。從圖3可以看出，隨著結(jié)晶速度的增大，其合金的抗拉強(qiáng)度也在逐漸增大。當(dāng)結(jié)晶速度達(dá)到100μm/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到193MPa，相對(duì)于鑄態(tài)的Mg-1.5Mn-Al合金，抗拉強(qiáng)度提高了124%.這主要是因?yàn)?，一方面隨著結(jié)晶速度的提高，柱狀晶的晶粒寬度逐漸變窄，這相當(dāng)于細(xì)晶強(qiáng)化的作用，而使其抗拉強(qiáng)度提高。另一方面，經(jīng)過(guò)定向凝固后組織從樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥鶢罹?，消除了橫向晶界，進(jìn)而提高了沿生長(zhǎng)方向的拉伸性能。

圖3 不同結(jié)晶速度對(duì)Mg-1.5Mn-Al 合金抗拉強(qiáng)度的影響

2.3 宏觀斷口分析

圖4為Mg-1.5Mn-Al合金斷口組織照片。從圖4a）可以看出，鑄態(tài)下合金斷口表面呈河流線條花樣，說(shuō)明鑄態(tài)的Mg-1.5Mn-Al合金為脆性斷裂。4圖b）～d）為定向凝固合金的拉伸斷口掃描。在相同的放大倍數(shù)下觀察斷面，看到很多韌窩，這表明經(jīng)過(guò)定向凝固后，合金呈延性斷裂[9]。比較圖4b）、c）、d），會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著拉速提高，韌窩越來(lái)越密集，韌窩的深度也越來(lái)越大，所以塑性變形能力也越大，同時(shí)也驗(yàn)證了圖3所示的結(jié)果。

圖4 Mg-1.5Mn-Al 合金拉伸斷口SEM 形貌

3 結(jié) 論

1）結(jié)晶速度對(duì)Mg-1.5Mn-Al合金的顯微組織影響較大。在定向凝固條件下，隨著結(jié)晶速度的增加，合金組織逐漸由寬大的柱狀晶變?yōu)榧?xì)窄的柱狀晶。

2）隨著結(jié)晶速度的增加，Mg-1.5Mn-Al合金的抗拉強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)結(jié)晶速度為100μm/s時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到193MPa，相比于鑄態(tài)合金提高了124%.

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