張帥杰， 張 磊

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

引 言

因具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、易于機(jī)械加工和容易回收利用等優(yōu)點，鎂合金已經(jīng)成為汽車、電子通信、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。但是鎂合金仍然存在絕對強(qiáng)度較低和抗腐蝕性能較差等問題，這阻礙鎂合金的大規(guī)模應(yīng)用。近幾十年，一種長周期堆垛有序（LPSO）結(jié)構(gòu)增強(qiáng)鎂合金因其優(yōu)異的強(qiáng)度、塑性，良好的耐熱性，受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的特別關(guān)注[1-5]。但是由于多相鎂合金中大量第二相的存在，造成其耐腐蝕性能較差[6-8]。

近年來，利用電磁場處理技術(shù)來改善合金凝固組織及性能得到了快速發(fā)展，并取得了許多有價值的研究成果[9-10]。穩(wěn)恒磁場處理技術(shù)因具有無污染、無接觸、設(shè)備簡單和效果顯著等優(yōu)點[11-13]，受到了人們的特別關(guān)注。早在1989 年，朱耀明[12]就研究發(fā)現(xiàn)在LY12 鋁合金凝固過程中施加穩(wěn)恒磁場處理能夠顯著影響合金凝固組織中第二相的形態(tài)。本課題組將穩(wěn)恒磁場作用于準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Y 合金的凝固過程，發(fā)現(xiàn)隨著磁場強(qiáng)度的增加，合金中準(zhǔn)晶相的形貌逐漸由粗大的骨骼狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)網(wǎng)狀，其分布也變得更為均勻。合金的力學(xué)性能隨著磁場強(qiáng)度的增加而逐漸提高[13]。雖然有關(guān)穩(wěn)恒磁場對合金凝固組織及力學(xué)性能影響的研究開展的較為廣泛，但對合金耐腐蝕性能的研究工作還鮮有報道。因此，本文將穩(wěn)恒磁場作用于Mg95.5Y3Zn1.5（原子分?jǐn)?shù)，下同）合金的凝固過程，主要研究磁場強(qiáng)度對合金凝固組織和耐腐蝕性能的影響。

1 試驗方法

試驗材料為商用鎂錠（純度為99.9%）、純鋅粒（純度為99.9%）和Mg-30Y 中間合金。采用低碳鋼坩堝，在SG2-5-12 型井式坩堝電阻爐內(nèi)熔煉母合金，待合金全部熔清后，用石墨棒攪拌使其均勻后靜置15 min，然后扒渣，并降溫至720 ℃。

磁場凝固試驗在自制的穩(wěn)恒磁場發(fā)生裝置中進(jìn)行，具體設(shè)備參數(shù)可以參考文獻(xiàn)[13]。將金屬液澆注到已預(yù)熱到450 ℃的不銹鋼鑄型（?48 mm ×60 mm）內(nèi)，迅速施加不同磁場強(qiáng)度（0，0.3，0.6 和0.9 T）的穩(wěn)恒磁場處理直至熔體完全凝固。為防止鎂合金的氧化燃燒，熔煉、澆注和磁場處理試驗均在混合氣體（CO2+ SF6，體積比100 : 1）的保護(hù)下進(jìn)行。

利用標(biāo)準(zhǔn)金相試樣制備程序獲得金相試樣后，用3%的硝酸酒精溶液腐蝕5～10 s。采用Neophot-2型金相顯微鏡觀察合金的顯微組織形貌。使用金相顯微鏡自帶的分析軟件統(tǒng)計平均晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)。利用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀分析合金的結(jié)晶取向。采用SU1510 型掃描電子顯微鏡對合金的凝固組織和腐蝕表面進(jìn)行觀察。采用腐蝕浸泡試驗測定合金的腐蝕速率。腐蝕介質(zhì)采用3.5%NaCl 溶液。腐蝕浸泡16 h 后取出，使用鉻酸溶液去除腐蝕產(chǎn)物。使用電子分析天平稱量浸泡前后試樣的重量，以計算重量損失。每組合金取3 個平行試樣，實驗數(shù)據(jù)取平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1 為未經(jīng)穩(wěn)恒磁場處理時Mg95.5Y3Zn1.5合金的SEM 照片。由圖1 可見，合金中除了晶間的灰色塊狀第二相外（圖中A 所示），還存在少量白色顆粒狀（圖中B 所示）和針片狀淺灰色第二相（圖中C 所示）。分別對三種形貌的第二相進(jìn)行EDS 分析，結(jié)果如表1 所示。A 處灰色塊狀第二相中Mg、Y、Zn 元素的原子比接近12∶1∶1，這與KAWAMURA[6]和LUO 等[2]在Mg-Y-Zn 合金中觀察到的18R 型LPSO 結(jié)構(gòu)相的成分非常接近，因此可以判斷該處第二相為18R 型長周期結(jié)構(gòu)Mg12Y1Zn1相。B 處白色顆粒狀第二相中Mg、Y 元素的原子比接近1∶1，可以判斷其為MgY相。C 處針片狀第二相中Mg、Zn、Y 元素的原子比接近3∶3∶2，因此推斷該處第二相為W 相（Mg3Zn3Y2）。

表1 合金中第二相的能譜分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù) /%)

圖2 為不同磁場強(qiáng)度下獲得的Mg95.5Y3Zn1.5合金中初生α-Mg 相形貌。由圖可見，磁場處理前后，合金中的初生α-Mg 相均呈現(xiàn)典型的樹枝晶狀。未施加磁場處理時，合金中初生α-Mg 相非常粗大，經(jīng)統(tǒng)計，此時其平均晶粒尺寸達(dá)到了1.58 mm。施加磁場處理后，初生α-Mg 相的尺寸要顯著小于未處理合金。隨著磁場強(qiáng)度的增加，初生α-Mg 相的晶粒尺寸呈先減小后增加的趨勢。當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.6 T 時，初生α-Mg 相的平均晶粒尺寸最小為736 μm，相比未處理合金降低了53.4%。

圖2 磁場強(qiáng)度對Mg95.5Y3Zn1.5 合金中初生α-Mg 相的影響

在金屬熔體凝固過程中施加穩(wěn)恒磁場處理，穩(wěn)恒磁場能夠削弱溶質(zhì)在固/液界面前沿的擴(kuò)散能力[14]。當(dāng)初生α-Mg 枝晶長大時，隨著凝固過程的進(jìn)行，固/液界面不斷推進(jìn)，界面前沿中固相排出的溶質(zhì)含量降低，這使得該處的成分過冷區(qū)顯著減小，甚至消失。再者，由于固/液界面前沿中固相排出的溶質(zhì)含量降低，使得更多的溶質(zhì)元素固溶在晶粒內(nèi)部，而殘留在液相中的溶質(zhì)含量顯著減少，這有利于后續(xù)形核的晶粒有機(jī)會進(jìn)一步長大，進(jìn)而有效抑制先形核晶粒的長大，同時也導(dǎo)致晶間第二相的含量降低。同時，穩(wěn)恒磁場還會對金屬熔體產(chǎn)生磁流體動力學(xué)效應(yīng)，其能夠抑制自然對流，減弱金屬熔體內(nèi)結(jié)構(gòu)和能量起伏，降低形核率，導(dǎo)致合金晶粒粗化[13]。在0.3～0.9 T 范圍內(nèi)，磁場對溶質(zhì)擴(kuò)散的抑制作用均處于主導(dǎo)地位，因此經(jīng)磁場處理合金的晶粒尺寸均要顯著小于未處理合金。當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到0.6 T 時，在穩(wěn)恒磁場各種效應(yīng)的綜合作用下，合金的晶粒尺寸最為細(xì)小。而超過0.6 T 后，隨著磁場強(qiáng)度的增加，磁流體動力學(xué)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，因此合金晶粒又開始有所粗化。

圖3 為不同磁場強(qiáng)度下獲得的Mg95.5Y3Zn1.5合金中第二相形貌。從圖3 可見，磁場處理前后，合金中的晶間第二相均呈連續(xù)網(wǎng)狀分布。未施加磁場處理時，合金中的第二相局部可以觀察到明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象；施加磁場處理后，第二相的分布變得更加均勻。同時還可以看出，隨著磁場強(qiáng)度的增加，合金中第二相的含量也逐漸降低。經(jīng)統(tǒng)計，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到0.9 T 時，第二相的體積分?jǐn)?shù)減小到28.5%，相比未處理合金（38.7%）降低了26.4%。

圖3 磁場強(qiáng)度對Mg95.5Y3Zn1.5 合金中第二相的影響

表2 為不同磁場強(qiáng)度下獲得的Mg95.5Y3Zn1.5合金在3.5%NaCl 溶液中浸泡16 h 后的腐蝕質(zhì)量損失速率。由表2 可見，腐蝕浸泡16 h 后，未處理合金的腐蝕質(zhì)量損失速率較大，為48.7 mg?cm?2?d?1。隨著磁場強(qiáng)度的增加，合金的腐蝕質(zhì)量損失速率逐漸降低。當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.9 T 時，合金的腐蝕質(zhì)量損失速率降低到23.3 mg?cm?2?d?1，相比未處理合金降低了52.2%。對比四種試樣的腐蝕質(zhì)量損失速率還可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)0.9 T 穩(wěn)恒磁場處理后合金的耐腐蝕性能要顯著好于其他3 種合金。

表2 Mg95.5Y3Zn1.5 合金在3.5%NaCl 溶液中浸泡16 h 后的腐蝕質(zhì)量損失速率

圖4 為不同磁場強(qiáng)度下獲得的Mg95.5Y3Zn1.5合金在3.5%NaCl 溶液中浸泡8 h 后去除腐蝕產(chǎn)物后的腐蝕表面形貌。由圖4 可見，腐蝕浸泡8 h后，未處理合金腐蝕非常嚴(yán)重，腐蝕表面已經(jīng)形成了許多大而深的腐蝕坑，這是因為長時間腐蝕后，塊狀的α-Mg 基體腐蝕脫落導(dǎo)致的。隨著磁場強(qiáng)度的增加，合金腐蝕表面腐蝕坑的深度逐漸變淺，且其面積也逐漸變小，表明Mg95.5Y3Zn1.5合金的耐腐蝕性能逐漸提高。對比四種合金的腐蝕表面形貌還可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)0.9 T 穩(wěn)恒磁場處理后合金的腐蝕坑深度要顯著淺于其他3 種合金，表明其具有更好的耐腐蝕性能。T 穩(wěn)恒磁場處理后合金形成了較強(qiáng)的{0002}基面織構(gòu)也是其耐腐蝕性能要顯著好于其他3 種合金的主要原因。

圖4 Mg95.5Y3Zn1.5 合金腐蝕浸泡8 h 后去除腐蝕產(chǎn)物的表面形貌

圖5 不同磁場強(qiáng)度下Mg95.5Y3Zn1.5 合金的XRD 圖譜

3 結(jié) 論

1）穩(wěn)恒磁場處理能夠顯著細(xì)化Mg95.5Y3Zn1.5合金的凝固組織。隨著磁場強(qiáng)度的增加，初生α-Mg相的晶粒尺寸呈先減小后增加的趨勢。18R-LPSO相的分布變得更為均勻，其體積分?jǐn)?shù)也顯著降低。

2）穩(wěn)恒磁場處理能夠顯著提高合金的耐腐蝕性能。隨著磁場強(qiáng)度的增加，合金在3.5%NaCl 溶液中的腐蝕質(zhì)量損失速率逐漸降低，表明合金的耐腐蝕性能逐漸增加。

3）經(jīng)0.9 T 穩(wěn)恒磁場處理后合金的耐腐蝕性明顯提高，主要歸因為LPSO 相體積分?jǐn)?shù)的降低和形成了較強(qiáng)的{0002}基面織構(gòu)。