第4期 黄进峰等：喷射沉积A☑31镁合金微观组织与力学性能 ·409 牌号MB2),其化学成分如表1所示.喷射沉积实验 同温度及时间下使用管式电阻炉加热进行退火处 在北京科技大学新金属材料国家重点实验室雾化沉 理，观察合金组织和性能的变化， 积系统上进行，氩气保护气氛下熔炼，合金熔化经 通过leitz2 DMIXT型光学显微镜、Cambridge"一 电磁搅拌混合均匀后，静置降温，倾倒至中间包，经 S250型扫描电镜(SEM)、Hitachi8O0型透射电镜 导流嘴流出，高压雾化气体雾化破碎成小熔滴，然后 (TEM)、X射线衍射仪等对各种状态下合金进行了 沉积到接受极板形成柱状沉积坯，主要工艺参数： 组织观察与分析，金相试样浸蚀剂配比为：5g苦味 雾化气体为N2,雾化气体压力0.3~0.5MPa,喷射 酸十10mL冰醋酸+10mL蒸馏水+80mL无水乙 时熔体温度740~770℃，导流管直径3.5mm,偏心 醇；采用HVS-lOO0 Digital Microhardness Tester维 距10mm,沉积距离400mm,采用环孔式非限制型 氏硬度测量仪对轧制态及不同退火状态下合金样品 雾化喷嘴 进行了硬度测试；板材试样室温拉伸力学性能测试 表1实验用AZ31镁合金的化学成分（质量分数） 按GB/T228-2002取样，在MTS810力学性能实 Table I Chemical composition of AZ31 magnesium alloy selected for 验机上进行拉伸实验，拉伸速度为2mms;采用 the study % 平均截线法多视场表征平均晶粒尺寸d(d= Al Zn Mn Fe Ni Cu Si其他Mg 1.74L,L为截线长度) 2.680.860.390.050.0050.05·0.10°0.03°Bal. 2实验结果与分析 注：*表示最高容许量 将喷射沉积AZ31镁合金圆柱坯件线切割成 2.1沉积态AZ31镁合金的微观组织 8mm厚片层，在350四辊/二辊热轧试验机上进行 图1给出了铸态和沉积态AZ31合金的显微组 轧制变形，轧辊温度为60~70℃.轧制前，坯料用 织.图1(a)为AZ31镁合金的铸态组织，晶粒较为 感应炉加热至325~350℃；前两道次变形量为 粗大，约为100~150m,图1(b)为喷射沉积态 13%~15%,以后逐渐减小道次变形量；道次间，坯 AZ31镁合金的微观组织，为典型的等轴晶组织，其 料回炉重新加温至350℃；经多道次轧制成2mm厚 晶粒尺寸在10~30m之间，平均晶粒尺寸约为 左右薄板，轧制完成后空冷至室温，板材试样在不 20m,相比铸态组织明显细化， b 50m 图1A231镁合金的组织.(a)铸态；(b)喷射沉积态 Fig.1 Microstructures of AZ31 magnesium alloy:(a)ascast:(b)as"spray formed X射线衍射分析表明，沉积态合金只有α(Mg) 体组织；而具有较高动能的雾滴撞击基板或沉积表 相，未发现明显的B(Mg7Al2)峰，喷射沉积过程 面所产生的剪切应力将合金液滴和沉积表层的枝晶 中，一方面高压雾化气流与熔体之间强烈的对流换 打碎，形成细小的等轴晶组织，根据Hehmann等的 热使得合金凝固时获得极高的冷却速度(103~ 研究[8]，快速凝固技术能大幅度提高A1在α(Mg) 10Ks1),另一方面雾化气体与雾化液滴之间的 相中的固溶度，从普通凝固的11.5%（质量分数）提 动能交换使雾滴获得很高的运动速度（模拟计算结 高至快速凝固的21.6%，喷射沉积AZ31合金形成 果表明其速度为50~100ms)·固一液界面前沿 过饱和α(Mg)固溶体组织，能大幅度提高合金的强 溶质原子的扩散和迁移在高的过冷度条件下受到阻 度、韧性和耐蚀性能 碍，平衡条件下发生的L→a(Mg)十B(Mg7Al2)共 部分晶粒之间存在微孔隙，但其尺寸较小（见 晶反应受到抑制，从而形成过饱和单相α(Mg)固溶 图1(b)·显微组织观察发现，沉积坯中存在两种牌号 MB2）‚其化学成分如表1所示．喷射沉积实验 在北京科技大学新金属材料国家重点实验室雾化沉 积系统上进行．氩气保护气氛下熔炼‚合金熔化经 电磁搅拌混合均匀后‚静置降温‚倾倒至中间包‚经 导流嘴流出‚高压雾化气体雾化破碎成小熔滴‚然后 沉积到接受极板形成柱状沉积坯．主要工艺参数： 雾化气体为 N2‚雾化气体压力0∙3～0∙5MPa‚喷射 时熔体温度740～770℃‚导流管直径3∙5mm‚偏心 距10mm‚沉积距离400mm‚采用环孔式非限制型 雾化喷嘴． 表1 实验用 AZ31镁合金的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of AZ31 magnesium alloy selected for the study ％ Al Zn Mn Fe Ni Cu Si 其他 Mg 2∙68 0∙86 0∙39 0∙05∗ 0∙005∗ 0∙05∗ 0∙10∗ 0∙03∗ Bal． 注：∗表示最高容许量． 将喷射沉积 AZ31镁合金圆柱坯件线切割成 8mm厚片层‚在350四辊／二辊热轧试验机上进行 轧制变形‚轧辊温度为60～70℃．轧制前‚坯料用 感应炉加热至325～350℃；前两道次变形量为 13％～15％‚以后逐渐减小道次变形量；道次间‚坯 料回炉重新加温至350℃；经多道次轧制成2mm 厚 左右薄板‚轧制完成后空冷至室温．板材试样在不 同温度及时间下使用管式电阻炉加热进行退火处 理‚观察合金组织和性能的变化． 通过 leitz2DMIXT 型光学显微镜、Cambridge— S250型扫描电镜（SEM）、Hitachi800型透射电镜 （TEM）、X 射线衍射仪等对各种状态下合金进行了 组织观察与分析．金相试样浸蚀剂配比为：5g 苦味 酸＋10mL 冰醋酸＋10mL 蒸馏水＋80mL 无水乙 醇；采用 HVS—1000Digital Microhardness Tester 维 氏硬度测量仪对轧制态及不同退火状态下合金样品 进行了硬度测试；板材试样室温拉伸力学性能测试 按 GB／T228—2002取样‚在 MTS 810力学性能实 验机上进行拉伸实验‚拉伸速度为2mm·s —1 ；采用 平均截线法多视场表征平均晶粒尺寸 d （ d ＝ 1∙74L‚L 为截线长度）． 2 实验结果与分析 2∙1 沉积态 AZ31镁合金的微观组织 图1给出了铸态和沉积态 AZ31合金的显微组 织．图1（a）为 AZ31镁合金的铸态组织‚晶粒较为 粗大‚约为100～150μm．图1（b）为喷射沉积态 AZ31镁合金的微观组织‚为典型的等轴晶组织‚其 晶粒尺寸在10～30μm 之间‚平均晶粒尺寸约为 20μm‚相比铸态组织明显细化． 图1 AZ31镁合金的组织．（a） 铸态；（b） 喷射沉积态 Fig．1 Microstructures of AZ31magnesium alloy：（a） as-cast；（b） as-spray formed X 射线衍射分析表明‚沉积态合金只有α（Mg） 相‚未发现明显的β（Mg17Al12）峰．喷射沉积过程 中‚一方面高压雾化气流与熔体之间强烈的对流换 热使得合金凝固时获得极高的冷却速度（103～ 104 K·s —1）‚另一方面雾化气体与雾化液滴之间的 动能交换使雾滴获得很高的运动速度（模拟计算结 果表明其速度为50～100m·s —1）．固—液界面前沿 溶质原子的扩散和迁移在高的过冷度条件下受到阻 碍‚平衡条件下发生的 L→α（Mg）＋β（Mg17Al12）共 晶反应受到抑制‚从而形成过饱和单相α（Mg）固溶 体组织；而具有较高动能的雾滴撞击基板或沉积表 面所产生的剪切应力将合金液滴和沉积表层的枝晶 打碎‚形成细小的等轴晶组织．根据 Hehmann 等的 研究［8］‚快速凝固技术能大幅度提高 A1在 α（Mg） 相中的固溶度‚从普通凝固的11∙5％（质量分数）提 高至快速凝固的21∙6％‚喷射沉积 AZ31合金形成 过饱和 α（Mg）固溶体组织‚能大幅度提高合金的强 度、韧性和耐蚀性能． 部分晶粒之间存在微孔隙‚但其尺寸较小（见 图1（b））．显微组织观察发现‚沉积坯中存在两种 第4期 黄进峰等： 喷射沉积 AZ31镁合金微观组织与力学性能 ·409·