AL含量对铝合金性能的影响

引言

镁及镁合金由于具有低密度、高比强度和比刚度以及优异的阻尼性能，在航空、汽车及国防等领域有着广泛的应用前景［1－4］，其中镁铝系合金是应用最为广泛的镁合金系列。Sheng等［5］在快速凝固／粉末冶金AZ91合金中加入质量分数为2％的硅，挤压后该合金在室温下的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为322．47MPa，429．78MPa和6．4％。Yan等［6］通过烧结镁粉、铝粉和钛粉成功地制备出了Mg－25％Al3Ti（体积分数）复合材料，其抗压强度分别为纯镁的1．5倍、AZ31合金的1．3倍，而且原位生成的Al3Ti颗粒与基体的界面洁净，不存在氧化物。沈平等［7］采用机械合金化法制备了镁－锆粉末冶金材料，发现在镁中添加少量锆后烧结态组织演变为条带状结构，同时在晶界及晶内出现点状颗粒，其抗弯强度、硬度随着锆含量的增加而提高。锆在镁中的溶解度很小，其晶体结构与镁接近，因此有利于镁合金组织的细化和性能的提高，但在铸造镁铝合金中加入锆元素后其会与铝生成稳定的硬质相［8－9］，使得锆在铸造镁合金中失去细化作用，因此一般不向铸造镁铝合金中添加锆元素。目前对镁铝锆合金的研究报道较少。然而粉末冶金的制备过程中不需要经过全熔的高温状态，因此，可以用来制备镁铝锆合金，为此，作者采用粉末冶金技术制备了Mg－xAl－1．5Zr（x＝0，2，4，6，8，质量分数％，下同）合金，并研究了铝含量对该合金显微组织和力学性能的影响。

1试样制备与试验方法

试验原料有纯镁粉（纯度大于99％，粒径为74μm）、纯铝粉（纯度大于99％，粒径为43μm）和纯锆粉（纯度大于99．7％，粒径为74μm），按照Mg－xAl－1．5Zr（x＝0％，2％，4％，6％，8％）配比称出原料粉。原料粉的混合过程在QM－1SP4型行星式球磨机中进行，球料质量比为4∶1，球磨转速为200r•min－1，球磨时间为1h。球磨后的粉体采用普通双向压制冷压成形，压力为350MPa。所有压坯于550℃烧结4h，整个烧结过程用氩气（纯度为99．9％）保护，按铝含量不同分别标记为Mg－1．5Zr，Mg－2Al－1．5Zr，Mg－4Al－1．5Zr，Mg－6Al－1．5Zr，Mg－8Al－1．5Zr合金。

烧结后的试样经过抛光后采用质量分数为4％的硝酸酒精腐蚀，并于MM6型光学显微镜下观察组织形貌；在HXS－1000A型显微维氏硬度计上进行硬度测试，载荷为2N，加载时间为15s，结果取5点的平均值；抗弯性能测试在CSS－2202型电子万能试验机上进行，跨距为14．8mm，压头加载速率为0．1mm•s－1；采用BrukerD8Advance型X射线衍射仪（XRD，铜靶）进行物相分析；采用FEI　Quanta　200型扫描电镜（SEM）观察断口和组织形貌。

2试验结果与讨论

2．1物相组成

由图1可见，加入铝后的镁锆合金粉在烧结后形成了β－Mg17Al12相。与铸造法不同的是锆并未与铝形成稳定化合物，依然以单质形式存在。同时还检测到了少量的MgO，它们的存在主要由于初始粉体颗粒表面的氧化。

2．2显微组织

由图2并结合XRD谱可知，镁铝锆合金的组织主要由α－Mg基体、锆颗粒、β－Mg17Al12相的组成，并存在一些微小的孔洞。图2中的浅灰色部分即为镁基体，呈不规则状，黑色部分为孔隙；随着铝含量的增加，合金中镁晶粒无明显变化，孔洞有所减少。由镁－铝二元相图可知，550℃下制备的合金不会出现液相，然而在镁－铝颗粒的接触面处将会发生初熔［10］，随着液相的产生，粉体颗粒发生滑动、旋转以及重新排列，粉体间的孔隙被熔液填充。因此，随着铝含量的增加，烧结时产生的初熔液相增加，合金中的孔隙数量和大小也随之降低，最终使得合金组织趋于均匀化。

根据图1可知，烧结期间锆颗粒并未与合金中的镁、铝元素发生反应。这些烧结期间存在的颗粒物将有效地抑制基体晶粒的长大，起到了强化作用［11－12］，因此锆颗粒的存在有助于组织细化以及力学性能的提高。由图2（f）可见，晶界处分布的锆颗粒与镁晶粒结合良好且界面无反应生成物。镁与铝在烧结期间生成了β－Mg17Al12相，如图2（f）箭头所指，它们主要分布在镁晶粒的晶界处，并且其含量随着铝含量的增加而增多。

由图3可见，Mg－8Al－1．5Zr合金中的灰色部分为镁基体，晶界处的白亮部分为锆颗粒。镁晶粒晶界处存在部分铝元素与镁基体生成的Mg17Al12相。从图3（b）发现，镁晶粒内部也存在着少量铝元素，这表明烧结期间镁粉与铝粉已经充分地扩散。

2．3硬度和弯曲性能

由图4可见，当合金中不添加铝元素时，其硬度和抗弯强度仅为42．6HV和146MPa，是五种合金中最低的。随着铝含量的升高，合金的硬度和抗弯强度显著提高。Mg－6Al－1．5Zr合金的硬度和抗弯强度分别提高了87．1％和53．4％，达到了最高的79．7HV和224MPa。然而随着铝元素的进一步增加，其硬度以及抗弯强度稍有降低，但依然高于Mg－4Al－1．5Zr合金的。由图2可知，铝元素的加入引起了合金显微组织趋于均匀化，这使得合金的硬度因铝的加入而得到了提高。由图3可知，加入合金中的铝元素除了与镁生成β－Mg17Al12以外，还有部分固溶到镁基体中。因此，镁基体中所固溶的铝元素起到了固溶强化的作用［12］，固溶强化也在一定程度上提高了强度。但是随着铝元素继续增加到8％时，β－Mg17Al12相的含量过高并割裂了基体，且其硬度仅为93～102HV［13］，抗弯强度也有一定程度的降低。

2．4断口形貌

由图5可见，Mg－1．5Zr合金和Mg－6Al－1．5Zr合金的断裂形式均为穿晶断裂。由于镁基体晶界处孔洞、锆颗粒以及β－Mg17A12相的存在，降低了镁晶粒之间的结合力。因此当施加外力时，镁晶粒便趋于分离而产生裂纹，随着裂纹的不断扩展使得合金最终发生断裂［14－15］。在图5（b）中可以清楚地观察到一些微小的解理面，呈准解理的特征，这是脆性断裂的标志。由此可知Mg－6Al－1．5Zr合金的强度很高，但其塑性较差。

3结论

（1）采用粉末冶金工艺制备的镁铝锆合金组织主要有α－Mg基体、锆颗粒、β－Mg17Al12相，并存有在一些微小的孔洞；随着铝含量的增加，合金的显微组织趋于均匀化。（2）Mg－6Al－1．5Zr合金的硬度和抗弯强度是五种合金中最高的；相对于Mg－1．5Zr合金，其硬度和抗弯强度分别提高了87．1％和53．4％，达到了79．7HV和224MPa；但其塑性较差，断口呈准解理的特征。