Mg-Al合金晶粒细化的研究进展.pdf

第6 1 卷第3 期 2O O9 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．3 A u g ． 2OO9 M g A l 合金晶粒细化的研究进展 左秀荣，赵亮 郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室，郑州4 5 0 0 5 2 摘要综述M g ．A l 合金晶粒细化的研究进展。M g A l 合金现有晶粒细化方法包括添加含c 的添加剂、熔体过热、添加 F e c l ，等方法，但均有一些不足之处。国内外在寻找新的M g A l 合金晶粒细化方法方面取得了显著的进展，同时对M g - A l 合金晶 粒细化机理研究也取得了有价值的成果。 关键词金属材料；M g ．A l 合金；综述；晶粒细化；晶粒细化机理 中图分类号T G l 3 9 ．8 ；T G l 4 6 ．2 ；T G l l 3 ．1 2文献标识码A文章编号1 0 0 l 0 2 1 1 2 0 0 9 0 3 一0 0 4 5 一0 3 镁及其合金是目前最轻的金属结构材料，其密 度只有钢铁的1 ／4 ，铝合金的2 ／3 。镁及其合金还具 有比强度和比刚度高、阻尼减震性好、抗辐射能力 强、易回收等优点。自上世纪末以来，由于各国对能 源和环境保护的日益重视，镁合金在许多领域中的 应用呈现快速发展的态势，其研究与开发出现新高 潮，但由于性能、成本等因素的制约，镁合金的实际 应用状况远未达到预期的规模。镁的晶体结构为密 排六方型，塑性变形能力较差，限制了镁合金的应 用，晶粒细化是提高镁合金加工和使用性能的重要 途径。目前对有着广泛及重要应用的M g A l 合金的 晶粒细化机理的研究进展很快，但对于M g A l 还没 有高效、可靠、适用的晶粒细化剂。由于M g A l 合金 中通常添加z n ，M n ，S i ，R E 等元素进一步提高性能， A l 与z n ，M n ，s i ，R E ，F e ，T i ，B ，c 等合金元素和晶粒 细化元素的交互作用对晶粒细化的影响还不完全清 楚。因此有必要寻找低成本、晶粒细化效果好、环境 友好的M g A l 合金通用的晶粒细化方法并进一步探 索其晶粒细化机理。因此，对M g A l 合金晶粒细化 的研究现状进行论述，为寻求M g - A l 合金通用晶粒 细化方法提供参考。 1 M g A l 合金现有晶粒细化方法及 存在问题 在变形镁合金中加入晶粒细化剂，可使镁合金 具有细小等轴晶粒，减小各向异性，改善加工性能， 同时也使镁合金组织分布均匀，力学性能提高。z r 收稿日期2 0 0 7 一0 7 2 5 作者简介左秀荣 1 9 6 7 一 ，女，辽宁铁岭市人，教授，博士，主要从 事金属材料的强韧化等方面的研究。 可稳定的细化无铝的镁合金，是一种有效的镁合金 晶粒细化方法，但是镁合金中的A l 毒化了z r 的晶 粒细化效果。加c 添加含碳化合物、气体及纯碳 细化M g ．A l 产生较好的晶粒细化效果，因为生成的 A l 。c ，错配度与M g 的错配度较小，为良好的结晶核 心一，但添加有机物形式的碳的化合物通常会释放 出有害气体，造成污染。M g - A l 合金中添加S i C 后 产生的晶粒细化作用，主要为3 S i C 5 4 A l Z A l 。C ， s 3 S i Z ，反应生成的A l 。C ，作为异质形核 核心，产生晶粒细化作用旧。，但仅在低铝含量范围 内有效，而且M n 的添加会毒化s i C 的晶粒细化效 果旧一。熔体过热是一种有效的细化镁合金的方法， 但需要把熔体加热到熔点以上1 5 0 ～2 6 0 c C ，造成熔 体氧化严重。F e C l ，对M g A l 合金也产生了有效的 晶粒细化作用，但合金中过多的F e 会降低合金的抗 腐蚀性能。 2M g ．A l 合金晶粒细化原理 c 对不含铝的镁合金没有晶粒细化作用，c 与 镁合金中的A l 反应生成A l 。C ，和A l - C O 。A l 。c ，和 A 1 ．c ．0 对M g 初晶是有效的形核核心，对M g ．A l 合 金产生明显的晶粒细化效果。1 ’4 1 。Q i n g I i nJ i n 等1 的研究却得到和上述矛盾的结论，加C 的A z 3 1 M g ．3 A 1 ．1 z n m ．4 M n 凝固过程会发生碳的偏析，产 生成分过冷和生长抑制，从而细化晶粒，而没有 A l 。C ，存在充当形核核心细化晶粒的证据。 L IL u 等’2 。采用3 仙m 的石墨粉和S i C 粉对高纯 M g 一3 A l 合金进行晶粒细化，均使合金得到显著的细 化，晶粒直径从未细化的3 8 0 “m 减至1 8 0 斗m 左右。 微观组织检验表明A l 。C ，为形核核心，热力学计算 万方数据 4 6 有色金属第6 l 卷 表明4 A l Z 3 c s A l 。C ， s ，3 S i C s 4 A 1 Z A 1 。c ， s 3 s i z 热力学上可行，反应生成的 A l 。c ，作为异质形核核心，从而使晶粒明显细化。 P ．c a o 等‘6 。研究F e C l ，对高纯M g 。A l 合金晶粒 细化时发现，富F e ，A l 金属间化合物有可能是M g - A 1 合金的形核核心，熔炼过程采用榍石坩埚，避免 了C 的引入，表明晶粒细化与A l 。C ，无关，但 A l 。 M n ，F e ，不可能是M g 晶粒的形核核心。。 高纯M g A 1 合金 A l 为0 ．5 ％一9 ％ 与含杂质 的商业M g - A l 合金相比，本身就显示晶粒细化状 态1 。然而，M g ．A l 合金中含杂质F e 和M n 时，高纯 M g A l 合金中起晶粒细化作用的A l 。c ，被其中的杂 质F e 和M n 毒化，当熔体被加热到8 5 0 ～9 0 0 ℃， A l 。C ，的含F e ，M n 的覆盖层被熔解，晶粒细化能力 得到恢复H 1 。A z 9 1 E M g _ 9 ．0 1 A l - 0 ．8 2 z n ．0 ．2 2 M n 合金过热处理后的淬火样品产生晶粒细化，在每个 晶粒的树枝晶晶粒结构中心发现许多A l 。c ，作为异 质形核核心，而没有过热处理的合金没有树枝晶结 构的晶粒，其中存在的A l M n S i c O 相可能为M n ， S i 在A 1 。C ，形核产生⋯。 M ．．x ．z h a n g 等⋯采用边对边模型分析了以上 晶粒细化方法中普遍接受的形核核心A l 。c ，，A l c O 和A l 。 M n ，F e ，与镁基体间结晶学特点。模型预 测结果表明，A l C O 是最有效的形核核心，A l 。C ，次 于A l C O ，A l 。 M n ，F e ，不可能是添加F e C l ，过程中 的形核核心。 3 M g ．A l 合金晶粒细化研究的最新 发展动态 c a oP e n g 等u 发现，M n 以8 - A 1 M n 相存在时可 以细化高纯M g ．A l 合金及A z 3 l 合金，因为s ．A l M n 相和M g 的晶格错配度约为4 ％，但在7 3 0 ℃长时间 保温时，占一A l M n 会转化为稳定的y 一A l 。M n ，使晶粒 细化效果衰退。因此，提高A l M n 合金添加剂中占． A l M n 的含量，可有效地细化M g A l 合金。 Y a n h u jL i u 等2 。由A l 和s i c 粉在9 5 0 ℃高温反 应制造一种新颖的A l 。c ，一s i c ／A l 中间合金细化M g ． A 1 ．z n ，此中间合金中包含A l 。c ，和S i C 颗粒及 参考文献 A l 。C ，／S i C 复合相，均可作为异质形核核心对A z 3 1 和A z 6 3 的晶粒产生较好的细化效果，但对A Z 9 1 几 乎没有晶粒细化效果，添加量超过0 ．5 ％后，晶粒不 再减小。 柳延辉、刘相法等Ⅲ1 采用A l _ 4T i ．1 ．5 C 中间合 金细化A z 6 1 合金。发现该中间合金可以有效地细 化镁合金的晶粒，晶粒平均直径从未加中间合金细 化的1 ．5 m m 变为加中间合金细化的3 0 0 “m ，分析认 为A l _ 4 T i 一1 ．5 C 中间合金中起晶粒细化作用的是 A 1 4 C3 。 陈晶阳、关绍康等4 。采用A l 一3T i 4 B 中间合金 细化M g 一7 A l _ 0 ．4 z n 旬．2 M n 合金，该中间合金细化了 合金组织，加入量为0 ．3 ％时的细化效果最佳，平均 晶粒尺寸由未变质合金的1 3 5 斗m 细化到3 0 斗m ，具 有密排六方结构的高熔点化合物T i B 和A l B 均可 作为d ．M g 的异质形核核心。 李培杰、郑伟超等”向A z 9 1 D 合金中添加c a ， 起到细化晶粒的作用，因为c a 的生长抑制参数m k 一1 为1 1 ．9 1 比A 1 ，z n ，s r 等大得多，因此C a 在 M g 中具有较强的晶粒细化能力。然而，由于A 1 c a 相在晶界的偏聚，使得合金的基体脆化，导致了合金 的抗拉强度和伸长率均下降。S r 对A z 9 1 D 合金的 细化效果不明显。向含C a 的A z 9 1 D 合金中添加少 量的s r ，晶粒有所长大，但s r 可以明显地改善合金 的综合力学性能。G ．Y ．Y u a n 等。1 钊的研究发现，s b 和c a 能有效地细化M g ．5 A l ，1z n ．1s i 的微观组织，使 汉字状的M g s i 变为多边形，主要为M g S i 在 M g 。s b 和c a s i 上形核。尤其是s b 使晶粒平均直 径从1 3 4 m 变为6 8 m ，主要为细小均匀分布的 M g S i 抑制了晶粒的长大。 4结语 M g A l 合金现有晶粒细化方法包括添加含c 的 添加剂，熔体过热、添加F e c l ，等方法，但均有一些 不足之处。因此，国内外专家学者一直在寻找新的 M g A l 合金晶粒细化方法并取得了显著的进展，同 时对M g A l 合金晶粒细化机理的研究也取得了有价 值的成果。 [ 1 ] L uL ，D a h l eAK ，s t J o h nDH ． G r a i nr e f i n e m e n te f f i c i e n c ya n dm e c h a n i s mo fa l u m i n i u mc a r b i d ei nM g A la l l o y s [ J ] ． s c “p t a M a t e r i a l i a ，2 0 0 5 ，5 3 5 5 1 7 5 2 2 ． [ 2 ] L uL ，D a h l eAK ，s t J o h nDH ．H e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o no f M g A la l l o y s [ J ] ．s c r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 6 ，5 4 1 2 2 1 9 7 2 2 0 1 ． [ 3 ] M a r kAE a s t o n ，A n d r e a ss c h i m ，J i Y o n gY a o ，e ta 1 ． G r a i nr e f i n e m e n to fM g A l 一M n a l l o y sb ys i ca d d i t i o n s [ J ] ． s c r i p t a 万方数据 第3 期 左秀荣等M g A l 合金晶粒细化的研究进展 4 7 [ 4 ] [ 6 ] M a t e r i a l i a ，2 0 0 6 ，5 5 4 3 7 9 3 8 2 ． M aQ i a n ，c a oP ．D i s c u s s i o n so ng r a i nr e “n e m e n to fm a g n e s i u ma l l o y sb yc a r b o ni n o c u l a t i o n [ J ] ． S c r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 5 ，5 2 5 4 1 5 4 1 9 ． Q i n 9 1 i nJ i n ，J e o n g P i lE o m ，s u G u n a o y [ J ] ．s c p t aM a t e “a a ，2 0 0 3 ， C a oP ，M aQ i a n ，s tJ o h nDH ．E f f e 2 1 2 5 1 2 9 ． L i m ．e t 4 9 1 1 a 1 ．G r a i nr e f i n i n gm e c h a n i s mo fac a r b o na d d i t i o nm e t h o di naM g A lm a g n e s i u m 1 】2 9 1 1 3 2 ． o ng r a i nr e “n e m e n to fh i g h p u r i t yM g A la l l o y s [ J ] ． s c r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 4 ，5 1 [ 7 ] z h a n gM x ，K e l l yPM ，M aQ i a n ，e ta 1 ．c r y s t a l l o g r a p h yo fg r a i nr e f i n e m e n ti nM g A lb a s e da l l o y s [ J ] ．A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 5 ， 5 3 1 1 3 2 6 1 3 2 7 0 ． [ 8 ] P e n gC a o ，M aQ i a n ，D a v i dHS t J o h n ． N a t i v eg r a i nr e f i n e m e n to fm 8 9 n e s i u ma l l o y s [ J ] ． s c r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 5 ，5 3 7 8 4 1 8 4 4 ． [ 9 ] P e n gc a o ，M aQ i a n ，D a v i dHs tJ o h n ． M e c h a n i s mf o rg r a i nr e f i n e m e n to fm a g n e s i u ma l I o y sb ys u p e r h e a t i n g[ Jj ． s c r i p t a M a t e “a l i a ，2 0 0 7 ，5 6 7 6 3 3 6 3 6 ． [ 1 0 ] T e t s u i c h jM o t e g j ．G r a i n r e f i n i n gm e c h a n i s m so fs u p e r h e a t t r e a t m e n to fa n dc a r b o na d d i t i o nt oM g A 1 ．z na l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 5 ，4 1 3 ／4 1 4 4 0 8 4 1 1 ． [ 11 ] P e n gc a o ，M aQ i a n ，D a v i dHs tJ o h n ． E f f e c to fm a n g a n e s eo ng r a i nr e f i n e m e n to fM g A lb a s e da l l o y s [ J ] ．s c r i p t aM a t e r i a l i a ， 2 0 0 6 ，5 4 1 1 1 8 5 3 ～1 8 5 8 ． [ 12 ] L i uY a n h u i ，L i ux i a n g f a ，B i a nx i u f a n g ． G r a i nr e “n e m e n to fM g A la l l o y sw i t hA 1 4c 3 一s i C ／A lm a s t e ra u o y [ J ] ． M a t e r i a l s L e t t e r s ，2 0 0 4 ，5 8 7 ／8 1 2 8 2 1 2 8 7 ． [ 1 3 ] 柳延辉，刘相法，李廷斌，等．A l T i c 中间合金对M g A l 合金的晶粒细化作用[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 3 ，1 3 3 6 2 2 6 2 5 ． [ 1 4 ] 陈晶阳，关绍康，林敦文，等．A 1 3 T i 4 B 中间合金对M g 一7 A l 一0 ．4 z n 一0 ．2 M n 合金显微组织和性能的影响[ J ] ．中国有色金 属学报，2 0 0 5 ，1 5 3 4 7 8 4 8 4 ． [ 1 5 ] 李培杰，郑伟超，汤彬，等．c a 和s r 对A z 9 1 D 合金组织的细化作用[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 4 ， 3 8 1 0 ． [ 1 6 ] Y u a nGY ，L i uzL ，w a n gQD ，e ta 1 ． M i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n to fM g A l z n s ia 1 1 0 y s [ J ] ． M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 2 ，5 6 1 ／2 5 3 5 8 ． G r a i nR e 6 n i n go fM g - A lA l l o y s z U ox i u r o n g ，z H A oL t n n g ．s c o D zQ 厂P ，佰i c n z _ s c i e n c e 7 0 c 危n o z o g ，，．K e yL 0 6 D r 口f o ， ，q ，’膨Ⅱ￡e r i 口ZP ，岱i c s f i ，z i s t 7 ，q 厂E d M c o t i o n ， z 危e 凡舻丘o uU 凡i “ e ，甚i 秒，Z P ，。g z 矗o “4 5 0 0 5 2 ，C i “ o A b s t r a c t T h er e s e a r c h i n ga d V a n c e song r a i nr e f i n i n go fM g A la l l o y sa r er e v i e w e d ．G r a i nr e f i n i n gm e t h o d so fM g A l a l l o y si n c l u d eC i n o c u l a t i o n ，s u p e r h e a t i n g ，a n h y d r o u sF e C l 3a d d i t i o n s ， e t c ．T h e s em e t h o d sa 1 1h a v es o m e d i s a d v a n t a g e s ． S on e wg r a i n r e f i n i n gm e t h o d so fM g A la l l o y sh a v eb e e ns e a r c h e db ys c h o I a r sa th o m ea n da b r o a d ， a n ds i g n i f i c a n td e V e l o p m e n th a sb e e no b t a i n e d ． A tt h es a m et i m e ， V a l u a b l er e s e a r c hf i n d i n g sa r ef b u n da b o u tt h e m e c h a n i s mo fg r a i nr e 6 n e m e n to fM g A la I I o y s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；M g A la 1 1 0 y s ；r e V i e w ；g r a i nr e f i n i n g ；g r a i nr e f i n i n gm e c h a n i s m s 万方数据