郭 璐，李秋書，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。但相對于其他變形鎂合金來說，關(guān)于Mg-Mn系合金的研究還較少，且關(guān)于其定向凝固的報道更是少見[1-2]。定向凝固的目的是為了使鑄件獲得按一定方向生長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程中氧化，整個加熱熔煉的過程在氬氣氛圍下進(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)狀和花瓣狀，經(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，每個晶體逆著熱流平行向內(nèi)伸展成一個個柱狀晶，在同樣的溫度梯度下，結(jié)晶速度增大時，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)晶過程中，存在著溶質(zhì)再分配，使得界面前方存在著成分過冷。當(dāng)結(jié)晶速度增大時，固液界面前方的成分過冷區(qū)逐漸變寬，同樣會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，抗拉強(qiáng)度達(dá)到193MPa，相對于鑄態(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)過定向凝固后組織從樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥鶢罹?，消除了橫向晶界，進(jìn)而提高了沿生長方向的拉伸性能。

圖3 不同結(jié)晶速度對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)過定向凝固后，合金呈延性斷裂[9]。比較圖4b）、c）、d），會發(fā)現(xiàn)，隨著拉速提高，韌窩越來越密集，韌窩的深度也越來越大，所以塑性變形能力也越大，同時也驗(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，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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