D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.02.046 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 高性能碱土耐热镁合金的显微组织和蠕变性能 白 晶) 孙扬善薛烽)晏井利)强婧)陶卫建) 1)东南大学材料科学与工程学院，南京2111892)云海特种金属有限公司，南京211221 摘要利用光学显微镜(OM),扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)系统研究了碱土元素Sr和Ca加入Mg一4Al基合金后的 显微组织，并测试了其抗蠕变性能.实验合金的铸态组织均由一Mg和沿枝晶界分布的第二相组成，2%Sr加入基体合金中 能观察到沿晶界的离异共晶和层片共晶Al4Sr相及块状三元t相.2%Ca的加入则形成了晶界层片MgCa共晶和晶内的 AzCa颗粒.而在Mg一4A一2Sr一1Ca中，晶界相为块状t相和层片状Mg2Ca共晶，晶内也析出Al2Ca颗粒.在Mg一4A一-2Sr一 1Ca基础上提高A1含量，粗大不规则共晶(Mg:A)zCa相在晶界处形成并不断增多，Mg2Ca及t相逐渐减少，当A1含量到7% 时，出现了新的细小层片状Al4Sr相.Sr,Ca元素加入Mg一AI合金，改善了合金的抗蠕变性能，其中Mg5A一2Sr一lCa和Mg一 6A一2Sr1Ca合金显示所有实验合金中最好的蠕变抗力.根据Power-law公式，在175℃/50~80MPa和70MPa/150~200 ℃蠕变下，Mg一→A一2Ssr合金在较低应力(<60MPa)下蠕变表现为扩散控制的位错攀移机制，而在高应力下出现Power-1aw 公式的失效：Mg一4A一2Sr一lCa合金蠕变则受到了扩散控制的位错机制和晶界滑移机制的共同作用. 关键词镁合金；锶：钙：显微组织：抗蠕变性能 分类号TG146.22 MgA1基合金由于具有良好的压铸、加工和力 外，还系统研究了含Sr和Ca的Mg一Al合金中Al 学性能，是目前应用最广泛的镁合金系，并且该合金 含量变化引起的组织和性能变化，这些结果为碱土 具有密度小、比强度、比刚度高等优点，已经被大量 镁铝合金的应用提供了实验依据， 应用于汽车工业山.然而目前工业上应用最广的 Mg一Al基合金，如AZ91D、AM6OB等，在服役温度 1实验方法 超过125℃时强度和抗蠕变性能迅速下降，不能用 设计了以MgAl为基体的六种合金，设计成分 于汽车发动机和传动机构等部件.国内外汽车界 如表1.表中AJ42和AC42分别在基体中加入了 普遍认为要实现实质意义的汽车轻量化，必需使镁 2%(以下如无注明均为质量分数)的Sr和Ca,合金 合金大量应用于汽车动力系统的构件，因此开发工 AC421是AJ42中加入1%Ca·在AJC421基础上 作温度在150℃以上的耐热镁合金成为镁合金研究 提高A1含量，制备了AJC521、AJC621和AJC721三 领域的热点之一， 种合金 近年来的研究发现，碱土元素Sr和Ca加入镁 表1制备合金的化学成分 铝基合金会在基体中形成熔点很高的中间相，在高 Table 1 Chemical compositions of the studied alloys% 温下这些相不易分解，能有效地阻止晶界运动，使合 合金 Al Sr Ca Mn Mg 金的高温力学性能特别是抗蠕变性能得到显著改 AJ42 4.0 2.0 0.3 余量 善.笔者所在的课题组对含Sr,Ca的碱土耐热 AC42 4.0 2.0 0.3 余量 镁合金进行了系统的研究，在此基础上开发了多种 AJC421 4.0 2.0 1.0 0.3 余量 具有优良抗蠕变性能的碱土Mg一A!合金，本文报 AJC521 5.0 2.0 1.0 0.3 余量 道了在MgAl基合金中分别加入Sr或Ca以及Sr AJC621 6.0 2.0 1.0 0.3 余量 和Ca复合加入后对合金的组织和性能的影响.此 AJC721 7.0 2.0 1.0 0.3 余量 收稿日期：2006-10-10修回日期：2007-01-03 合金在低碳钢坩埚中熔炼，Sr和Ca分别以 基金项目：国家“863”计划资助项目(No·2001AA33103001):江苏 Mg27Sr(含27%Sr)和Mg30Ca(含30%Ca)中 省自然科学基金预研项目(No-BK2004208):东南大学优秀博士学位 间合金的形式加入，并采用原子数分数1%$F6十 论文基金资助项目 作者简介：白晶(1981一)：男，博士研究生：孙扬善(1946-)，男， 99%C02混合气体保护.合金元素完全溶解后，在 教授，博士生导师 700℃下保温10mim后浇入水冷铜模.高性能碱土耐热镁合金的显微组织和蠕变性能 白 晶1） 孙扬善1） 薛 烽1） 晏井利1） 强 婧1） 陶卫建2） 1） 东南大学材料科学与工程学院‚南京211189 2） 云海特种金属有限公司‚南京211221 摘 要 利用光学显微镜（OM）‚扫描电镜（SEM）及透射电镜（T EM）系统研究了碱土元素 Sr 和 Ca 加入 Mg－4Al 基合金后的 显微组织‚并测试了其抗蠕变性能．实验合金的铸态组织均由α－Mg 和沿枝晶界分布的第二相组成．2％ Sr 加入基体合金中 能观察到沿晶界的离异共晶和层片共晶 Al4Sr 相及块状三元 τ相．2％ Ca 的加入则形成了晶界层片 Mg2Ca 共晶和晶内的 Al2Ca 颗粒．而在 Mg－4Al－2Sr－1Ca 中‚晶界相为块状 τ相和层片状 Mg2Ca 共晶‚晶内也析出 Al2Ca 颗粒．在 Mg－4Al－2Sr－ 1Ca 基础上提高 Al 含量‚粗大不规则共晶（Mg‚Al）2Ca 相在晶界处形成并不断增多‚Mg2Ca 及 τ相逐渐减少‚当 Al 含量到7％ 时‚出现了新的细小层片状 Al4Sr 相．Sr、Ca 元素加入 Mg－Al 合金‚改善了合金的抗蠕变性能‚其中 Mg－5Al－2Sr－1Ca 和 Mg－ 6Al－2Sr－1Ca 合金显示所有实验合金中最好的蠕变抗力．根据 Power－law 公式‚在175℃／50～80MPa 和70MPa／150～200 ℃蠕变下‚Mg－4Al－2Sr 合金在较低应力（＜60MPa）下蠕变表现为扩散控制的位错攀移机制‚而在高应力下出现 Power－law 公式的失效；Mg－4Al－2Sr－1Ca 合金蠕变则受到了扩散控制的位错机制和晶界滑移机制的共同作用． 关键词 镁合金；锶；钙；显微组织；抗蠕变性能 分类号 TG146∙22 收稿日期：20061010 修回日期：20070103 基金项目：国家“863”计划资助项目（No．2001AA331030－01）；江苏 省自然科学基金预研项目（No．BK2004208）；东南大学优秀博士学位 论文基金资助项目 作者简介：白 晶（1981－）‚男‚博士研究生；孙扬善（1946－）‚男‚ 教授‚博士生导师 Mg－Al 基合金由于具有良好的压铸、加工和力 学性能‚是目前应用最广泛的镁合金系‚并且该合金 具有密度小、比强度、比刚度高等优点‚已经被大量 应用于汽车工业［1］．然而目前工业上应用最广的 Mg－Al 基合金‚如 AZ91D、AM60B 等‚在服役温度 超过125℃时强度和抗蠕变性能迅速下降‚不能用 于汽车发动机和传动机构等部件［2］．国内外汽车界 普遍认为要实现实质意义的汽车轻量化‚必需使镁 合金大量应用于汽车动力系统的构件‚因此开发工 作温度在150℃以上的耐热镁合金成为镁合金研究 领域的热点之一． 近年来的研究发现‚碱土元素 Sr 和 Ca 加入镁 铝基合金会在基体中形成熔点很高的中间相．在高 温下这些相不易分解‚能有效地阻止晶界运动‚使合 金的高温力学性能特别是抗蠕变性能得到显著改 善［3－4］．笔者所在的课题组对含 Sr、Ca 的碱土耐热 镁合金进行了系统的研究‚在此基础上开发了多种 具有优良抗蠕变性能的碱土 Mg－Al 合金．本文报 道了在 Mg－Al 基合金中分别加入 Sr 或 Ca 以及 Sr 和 Ca 复合加入后对合金的组织和性能的影响．此 外‚还系统研究了含 Sr 和 Ca 的 Mg－Al 合金中 Al 含量变化引起的组织和性能变化．这些结果为碱土 镁铝合金的应用提供了实验依据． 1 实验方法 设计了以 Mg－Al 为基体的六种合金‚设计成分 如表1．表中 AJ42和 AC42分别在基体中加入了 2％（以下如无注明均为质量分数）的 Sr 和 Ca．合金 AJC421是 AJ42中加入1％ Ca ．在 AJC421基础上 提高 Al 含量‚制备了 AJC521、AJC621和 AJC721三 种合金． 表1 制备合金的化学成分 Table1 Chemical compositions of the studied alloys ％ 合金 Al Sr Ca Mn Mg AJ42 4∙0 2∙0 － 0∙3 余量 AC42 4∙0 － 2∙0 0∙3 余量 AJC421 4∙0 2∙0 1∙0 0∙3 余量 AJC521 5∙0 2∙0 1∙0 0∙3 余量 AJC621 6∙0 2∙0 1∙0 0∙3 余量 AJC721 7∙0 2∙0 1∙0 0∙3 余量 合金在低碳钢坩埚中熔炼‚Sr 和 Ca 分别以 Mg－27Sr（含27％ Sr）和 Mg－30Ca（含30％ Ca）中 间合金的形式加入‚并采用原子数分数1％ SF6＋ 99％ CO2 混合气体保护．合金元素完全溶解后‚在 700℃下保温10min 后浇入水冷铜模． 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．046