电脉冲场对AZ80-4Sn镁合金显微组织及性能影响研究

邢志辉^1,2 李明^1,2 赵高瞻^1,2 陶健全^1,2 黄志伟^1,2 万元元^1,2 薛寒松³

（1. 中国兵器工业第五九研究所；2. 国防科技工业精密成形技术研究应用中心；

3. 重庆大学材料科学与工程学院）

摘 要：本文通过对AZ80-4Sn镁合金凝固过程进行不同频率（处理频率分别为0Hz、300Hz和600Hz）的脉冲电流处理，研究了电脉冲场对AZ80-4Sn镁合金显微组织及及力学性能的影响。结果表明：电脉冲处理可以细化镁合金的凝固组织，并优化其力学性能，并且在一定范围内，随着脉冲频率的增加，AZ80-4Sn镁合金的组织和性能也是逐渐得到改善。与未进行脉冲处理的AZ80-4Sn合金相比，当对AZ80-4Sn合金进行600Hz的电脉冲处理后，粗大的树枝晶结构被细化，晶粒变得圆整、细小，较大的块状Mg₂Sn相被破碎且均匀分布在α-Mg基体中，抗拉强度与延伸率分别由101MPa和2%提高至173MPa和2.55%，提高了71.3%和27.5%。

关键词：AZ80-4Sn镁合金；电脉冲处理；显微组织；力学性能  

Effects of Electric current pulse on the Microstructure and Mechanical Properties of AZ80-4Sn Magnesium Alloy

Xing Zhihui^1,2, Lin Xiaohui¹, Li Ming^1,2, Zhao Gaozhan^1,2, Tao Jianquan^1,2, Huang Zhiwei^1,2, Xue Hansong³ 

(1.No. 59 Institute of China Ordnance Industry ; 2.National Defence Research and Application Center of Precision Plastic Forming Technology; 3. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University)

Abstract: In this paper, the effect of electric current pulse on the microstructure and mechanical properties of AZ80-4Sn magnesium alloy was studied by pulsed current treatment at different frequencies (0 Hz, 300 Hz and 600 Hz, respectively) in solidification process of AZ80-4Sn magnesium alloy. The results show that the solidification structure of AZ80-4Sn magnesium alloy can be refined and its mechanical properties optimized by electric pulse treatment. In a certain range, with the increase of pulse frequency, the structure and properties of AZ80-4Sn magnesium alloy are gradually improved. Compared with the AZ80-4Sn alloy without pulse treatment, when the AZ80-4Sn alloy was treated by 600 Hz electric pulse, the coarse dendrite structure was refined, the grain became rounded and fine, the larger bulk Mg2Sn phase was broken and distributed in the matrix of a-Mg uniformed. The tensile strength and elongation increased from 101 MPa and 2% to 173 MPa and 2.55% , improved 71.3% and 27.5% respectively.

Key Words: magnesium alloy ; solution treatment; microstructure

镁合金作为最轻质的结构材料，其具有比强度及比刚度高、密度低、电磁屏蔽性能强、切削加工性能好等优点，而被广泛应用于航空航天、汽车、3C产品等领域^[1-3]。由于纯镁的强度和塑性都比较低，在实际应用中很少作为金属结构材料而直接使用，但是可以利用合金化和不同处理工艺对其性能进行优化。当其被用作金属结构材料时，需要向纯镁中加入合金元素，从而达到沉淀强化、固溶强化、弥散强化和析出强化等强化效果，使合金的力学性能得到提高^[4-5]。研究表明，Sn元素加入镁合金中会形成Mg₂Sn相，其晶体结构为立方结构，硬度高，熔化温度为770℃，是一种比较理想的强化相^[6]。同时Sn元素的添加还可以细化合金的晶粒组织，提高镁合金的耐热性能、室温性能和高温力学性能等^[7]。

近年来，电脉冲处理技术被用于金属材料中，来改善材料的组织和性能。目前研究者的工作主要集中在以下三个方面：①对固态金属进行电脉冲处理。从Troitskii的研究开始，各项研究主要针对于材料的相变与性能等方面，国内李斗星等发现了脉冲电流导致常规粗晶合金产生局域纳米结构的实验现象，并提出了一种制备全致密纳米金属的新手段^[8]。②在金属液固两相区进行电脉冲处理。这一领域的研究工作的发展还算可观，比较具有代表性的是 Misra、Nakada 和翟启杰等的开拓性研究。这些研究的结果比较一致得认为，在金属凝固过程中施加电脉冲可显著改善合金铸态显微组织，尤其可以细化晶粒，但这部分的机理解析迄今还没有得到可靠的实验验证和统一的结论^[9]。③对金属熔体进行电脉冲处理。王建中等认为借助电脉冲作用下液态金属的结构改变可以有效细化晶粒、降低偏析甚至改变铝合金中初生相的形态，进而实现合金组织控制^[10]。       

对金属熔体进行电脉冲处理，金属凝固组织得到显著的细化效果，因此将这一技术应用于金属的凝固过程，以改善金属凝固组织和综合力学性能，是开发新材料的有效途径，具有广阔的实际应用前景^[11-13]。Barnak等人^[14]研究了高密度电脉冲对Sn–15 % Pb亚共晶合金微观组织的影响，并指出通过用电容器组释放电脉冲的方法，凝固组织可由大型树枝晶转变成细球状晶体。他们认为，这是因为电脉冲导致的收缩效应产生了一种冲击波，这种冲击波能够在凝固过程中折断树枝晶。然而，由于缺乏能解释脉冲电流如何影响凝固过程的原理，因此，国内相关的研究报道还比较少，这阻碍了利用电脉冲的细化晶粒技术的发展，也使其难以在实践中发挥作用。本文通过对AZ80-4Sn镁合金凝固过程施加电脉冲场，研究电脉冲处理对其组织和力学性能的影响。                                 

1实验材料与方法

实验合金设计成分如表1所示。本实验所用原材料为纯镁锭、纯铝、纯锌、纯锡和Mg-4%Mn (质量分数)中间合金。原材料一共准备三组，总质量均为1200g。

表1 实验合金的设计成分（质量分数，%）

Tab.1 Designed composition of test alloy (wt%)

本实验合金熔炼采用气体保护（CO2+0.5% SF₆）的坩埚电阻炉熔炼制备合金铸锭，图1为实验装置示意图，设备主要包括电脉冲发生器、电阻炉、石墨电极、石墨坩埚和混合气体保护装置。该混合气体具有保护效果好，容易控制冶炼合金成分等优点。为保证熔体质量，所用炉料在熔炼前须用砂纸清除炉料表面的氧化皮和油污等，然后置于200℃干燥炉中进行干燥。

图1实验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of experimental device

本实验所用AZ80-4Sn合金的化学成分（质量分数，%）为：8.9Al，0.53Zn，0.2Mn，4Sn，余为Mg。实验中制备的合金采用CO₂+SF₆气氛保护熔炼炉制备。熔炼的具体步骤：①根据设计成分和烧损率，准备好原料；②先将炉子升温到450℃，然后将纯镁、纯铝和Mg-Mn中间合金放置在熔炼炉中的坩埚中，通入CO₂+SF₆作为保护气体；③升温到700℃，加入纯锌和纯锡，继续加热升温到720℃并保持20min；④将熔化后的合金液浇铸在金属模具内；⑤将脉冲电极浸入熔体约30mm进行电脉冲处理直到熔体凝固结束，处理频率分别为0Hz、300Hz和600Hz。

对样品进行粗磨、精磨、抛光，用5%的酒石酸溶液腐蚀后，利用MDS金相显微镜对金相组织进行观察；采用D/MAX-2500PC型X射线衍射仪分析合金的物相组成，采用配有能谱仪（型号：OXFORD INCA ENERGY 350）的扫描电子显微镜（型号：TESCAN VEGA Ⅱ LMU）观察样品的表面形貌以及成分分布；采用SANS微机电子控制万能实验测试机（型号为CMT-5105）对实验合金的室温拉伸力学性能进行测试，根据GB228-2002，设计试样表距为14mm，宽度为6mm，厚度为2mm的拉伸片作为铸态实验合金的标准拉伸试样。

2结果与讨论

2.1电脉冲处理对铸态AZ80-4Sn合金金相显微组织的影响

图2为不同脉冲频率处理下铸态AZ80-4Sn合金的显微组织。如图2(a)所示，未经电脉冲处理试样的AZ80-4Sn合金晶粒为典型的树枝晶结构，枝晶臂杂乱交错，初生α-Mg相尺寸粗大，晶粒尺寸大小不一。图 2(b)~2(c)为合金分别经300Hz，600Hz电脉冲处理后实验合金的金相显微组织。经300Hz电脉冲处理后，实验合金粗大的树枝晶结构开始逐渐转变为花瓣状，部分枝晶断裂，长树枝晶转变为短枝晶，晶粒尺寸稍有减小，合金的凝固组织得到初步细化。当频率提高600Hz后，粗大的树枝晶结构破碎更为明显，晶粒明显变得圆整、细小，晶粒尺寸大小较为均匀，合金的凝固组织得到进一步细化。

电脉冲对金属凝固组织的细化机理主要有三个方面：晶核增殖，促进形核，抑制晶体长大^[15]。脉冲电流穿透金属熔体可引起脉冲磁场，这个磁场以梯度分布在柱状样本中。脉冲磁场产生的脉冲磁压力对熔融金属产生振荡性电涌，这导致了液态金属中的大量对流，并在模具壁上产生密集击打。在形核过程中，模具壁上的晶核被折断，并在脉冲电磁力的作用下进入熔体中。并且，这个从边缘到中心呈由强到弱分布的脉冲磁场会产生一个渐变压力，引起剪切应力，促使枝晶断裂破碎, 游离于金属熔体中。这样一来，金属熔体中便会形成大量新的核心，以此达到、减少枝晶、细化晶粒的目的。当脉冲电流通过凝固过程的金属熔体时，会产生Jolue热效应和Peltier热效应。由于熔体中固相的电导率大于液相，故电流优先通过固相，导致固相内产生的热效应大于液相。一方面，这些热效应可使界面上的凸出部分重熔，从而使晶体界面变得圆整，促进晶体向球形晶粒生长，抑制树枝晶的生长；另一方面，这些热效应降低了界面处的温度梯度，使熔体温度分布更加均匀，从而增加了固液界面的稳定性^[15]。而且脉冲电流通过金属熔体时会增加液相的对流，也会使金属熔体中的温度场和溶质场均匀化，消除了枝晶的生长条件，抑制了树枝晶的择优生长，晶粒尺寸趋于一致化^[16]。

图2 不同脉冲频率处理的铸态AZ80-4Sn合金金相显微组织：

（a）未处理；(b) 300Hz; (c) 600Hz

Fig.2 The optical as-cast microstructure images of AZ80-4Sn alloy treated with different pulse frequencies: (a) untreated; (b) 300Hz; (c) 600Hz

对AZ80-4Sn铸态合金进行X 射线衍射分析，得到的谱图如图 3所示。经由MDI Jade5软件分析对比，并结合图5中的EDS结果可知，实验合金中除了α-Mg基体外，还发现了Mg₁₇Al₁₂相和Mg₂Sn相。这表明AZ80-4Sn铸态合金主要由α-Mg、Mg₁₇Al₁₂相和Mg₂Sn相组成。

图3 铸态AZ80-4Sn合金的X 射线衍射图谱

Fig.3 X-ray diffraction pattern of as-cast AZ80-4Sn alloy

图4和图5分别为不同脉冲频率处理下铸态AZ80-4Sn合金的低倍和高倍的SEM形貌。从图4（a）与5（a）中可以进一步观察到，未经电脉冲处理AZ80-4Sn合金中的Mg₁₇Al₁₂相呈粗大、连续网状的枝晶结构分布，且其晶粒尺寸不均匀。从图中还可以看到，大量的块状Mg₂Sn相分布在晶界附近，并且嵌于Mg17Al12相中，较大且分布不均匀的块状Mg₂Sn相显然对AZ80-4Sn镁合金的性能是不利的。图4（b）与5（b）为经300Hz电脉冲处理的铸态AZ80-4Sn合金SEM形貌。从图中可以看出，网状的Mg₁₇Al₁₂相得到明显细化，粗大的枝晶结构也开始转变为较为圆整的等轴晶。从图中还可以看到，较大块状Mg₂Sn相的数量开始减少，并且出现了一些细小的颗粒状Mg₂Sn相分布在晶界附近，这表明经300Hz电脉冲处理后，铸态AZ80-4Sn合金中部分较大的块状Mg2Sn相被破碎成为细小颗粒状Mg₂Sn相。当脉冲频率增加至600Hz时，网状的Mg₁₇Al₁₂相与块状的Mg₂Sn相被进一步破碎，粗大的枝晶结构已经基本上转变为较为圆整的等轴晶，较大的块状Mg₂Sn相被破碎成为细小且弥散分布的颗粒状Mg₂Sn相且分布均匀，如图4（c）和图5（c）所示。

图4 不同脉冲频率处理的铸态AZ80-4Sn合金SEM形貌

（a） 未处理；（b）300Hz；（c）600Hz

Fig.4 The SEM morphology of as-cast AZ80-4Sn alloy treated with different pulse frequencies

(a) Untreated; (b) 300 Hz; (c) 600 Hz

图5 不同脉冲频率处理的铸态AZ80-4Sn合金高倍SEM形貌及EDS分析结果

（a） 未处理；（b）300Hz；（c）600Hz；（d）Mg₁₇Al₁₂相能谱图；（e）Mg₂Sn相能谱图

Fig.5 The high magnifications SEM images of as-cast the AZ80-4Sn alloy treated with different pulse frequencies and EDS results: (a) Untreated; (b) 300 Hz; (c) 600 Hz (d) Mg₁₇Al₁₂ phase; (e) Mg₂Sn phase

2.2电脉冲处理对铸态AZ80-4Sn合金力学性能的影响

图6为未经电脉冲处理和分别经300Hz和600Hz电脉冲处理的铸态AZ80-4Sn合金在室温下的拉伸性能。从图中可以看出，电脉冲处理对铸态AZ80-4Sn合金熔体的抗拉强度和延伸率均有不同程度的提高，且在一定范围内随着频率的增加而增加。如图6所示，未经电脉冲处理的铸态AZ80-4Sn合金的抗拉强度和延伸率分别为101.2MPa和2.0%。当对AZ80-4Sn合金进行300Hz电脉冲处理处理时，其抗拉强度和延伸率均有显著提高，分别为150.1MPa和2.4%。与未经超声处理实验合金相比，其抗拉强度和延伸率分别提高了48.3%和20.0%。随着电脉冲频率进一步增加到600Hz时，实验合金的抗拉强度和延伸率进一步提高，分别达到173MPa和2.55%，比未处理的实验合金分别提高了71.3%和27.5%。

图6 不同脉冲频率处理的铸态AZ80-4Sn合金的力学性能

Fig.6 Mechanical properties of the as-cast AZ80-4Sn alloy treated with different pulse frequencies

2.3电脉冲处理对铸态AZ80-4Sn合金断口形貌的影响

图7为不同脉冲频率处理的铸态AZ80-4Sn合金室温拉伸断口形貌。由于镁合金是密排六方晶体结构，一般只能通过基面滑移和孪晶进行塑性变形，独立滑移系少，室温下的塑性变形主要由基面上的两个独立滑移系{0001}<11 0>来执^[18]。所以，室温下，镁合金在外力作用下，晶粒间变形协调能力不足，室温下变形困难，其断裂行为一般是解理断裂或准解理断裂。从图7（a）可以看出，未经电脉冲处理试样的断口有一些断裂小平面，即解理台阶，而由塑性变形产生的韧窝很少，说明断面为典型的解理断裂。图7（b）为300Hz脉冲处理后试样的断口形貌, 可以看到产生了河流花样的撕裂脊，并且韧窝有所增多，断面为准解理断面。图7（c）中，经600Hz脉冲处理后，试样断口的韧窝明显增多，且韧窝变大，解理台阶和撕裂脊都显著减少，开始表现为微孔聚集型断裂的倾向，断面开始为准解理断面转变。说明经电脉冲处理后铸态合金的拉伸性能有所提高，这与铸态合金力学性能的测试结果相一致。

图7 不同脉冲频率处理的铸态AZ80-4Sn合金室温拉伸断口形貌

（a） 未处理；（b）300Hz；（c）600Hz

Fig.7 Tensile fracture morphology of the as-cast AZ80-4Sn alloy treated with different pulse frequencies at room temperature: (a) Untreated; (b) 300 Hz; (c) 600 Hz

3 结论

（1）铸态AZ80-4Sn合金组织主要由α-Mg、Mg₁₇Al₁₂和Mg₂Sn相组成。对金属熔体进行电脉冲处理后，铸态AZ80-4Sn合金粗大的树枝晶结构被细化，晶粒变得圆整、细小，合金的凝固组织得到细化。

（2）经电脉冲处理后，铸态AZ80-4Sn合金中网状的Mg₁₇Al₁₂相得到明显细化，较大的块状Mg₂Sn相被破碎成为细小颗粒状Mg₂Sn相。当脉冲频率为600Hz时，粗大的枝晶结构已经基本上转变为较为圆整的等轴晶，较大的块状Mg₂Sn相被破碎成为细小且弥散分布的颗粒状Mg2Sn相且分布均匀。

（3）适当频率的电脉冲处理对铸态AZ80-4Sn合金熔体的抗拉强度和延伸率均有不同程度的提高，随着电脉冲频率进一步增加到600Hz时，实验合金的抗拉强度和延伸率进一步提高，分别达到173MPa和2.55%，比未处理的实验合金分别提高了71.3%和27.5%。

（4）经电脉冲处理后，铸态AZ80-4Sn合金的断裂由解理断裂或准解理断裂转变，断口的韧窝明显增多，且韧窝变大，解理台阶和撕裂脊都显著减少。

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