AL含量对铝合金性能的影响

1、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。Sh e n g等5 在快速凝固/粉末冶金A Z 9 1合金中参加质量分数为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3 2 2. 47MPa, 4 2 9. 7 8MPa和6. 4%Yan等6通过烧结镁粉、铝粉和钛粉成功地制备出了 M g 25 % A 1 3Tl体积分数复合材料，其抗压强度分别为纯镁的1 . 5倍、AZ 3 1合金的1 . 3倍，而且原位生成的A 13

2、Tl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参加错元素后其会与铝生成稳定的硬质相8 - 9,使得错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， 可以用来制备镁铝错合金，为此，作者采用粉末冶金技术制备了 M

3、 g xAl 1. 5Zrx=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9 9%,粒径为74纯铝粉纯度大于99%,粒径为4 3皿1和纯错粉纯度大于9 9. 7 %,粒径为74 陷!，按照M g - x A 1 - 1 . 5 Zrx = 0%, 2%, 4%, 6%, 8 %配比称出原料粉。原料粉的混合过程在QM 1 S P 4型行星式球磨机中进行，球料质量比为4：1 ,球磨转速为2 0 0 r m i n - 1 ,球磨时间为1 ho球磨后的粉体采用普通双向压制冷压成形，压力为3 5 OMP a

4、o 所有压坯于5 5 0 烧结4 h ,整个烧结过程用僦气纯度为9 9.9%保护，按铝含量不同分 别标记为 M g 1. 5Zr, Mg-2A1-1. 5Zr, Mg-4A1-1. 5Zr,Mg 6A1 1. 5Zr, Mg-8A1-1. 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MM 6型光学显微镜下观察组织形貌；在H X S 1 0 0 0 A型显微维氏硬度计上进行硬度测试，载荷为2 N,加载时间为15s,结果取5点的平均值； 抗弯性能测试在C S S- 2 2 0 2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

5、用B r u k e rD8Advance型X射线衍射仪X R D,铜靶进行物相分析；采用F E I Quan t a 2 0。型扫描电镜S EM观察断口和组织形貌。2试验结果与讨论由图1可见，参加铝后的镁错合金粉在烧结后形成了3M g 1 7Ali 2相。与铸造法不同的是错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外表的氧化。2 . 2显微组织由图2并结合X RD谱可知，镁铝错合金的组织主要由aMg基体、错颗粒、3-Mg 17Ali 2相的组成， 并存在一些微小的孔洞。 图2中的浅灰色局部即为镁基体，呈不规那么状，黑色局部为孔隙；

6、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，5 5 0: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，烧结期间错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：1 1 - 1 2,因此错颗粒的存在有助于组织细化以及力学性能的提高。由图2f可见，晶界处分布的错颗粒与镁晶粒结合

7、良好且界面无反应生成物。 镁与铝在烧结期间生成了 3M g 1 7Ali 2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 8 A 1 1. 5 Z r合金中的灰色局部为镁基体，晶界处的白亮局部为错颗粒。镁晶粒晶界处存在局部铝元素与镁基体生成的Mg 17Ali 2相。从图3b 发现，镁晶粒内部也存在着少量铝元素，这说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- 6

8、A 1 - 1 . 5 Z r合金的硬度和抗弯强度分别提高了 8 7. 1 %和5 3 . 4 %,到达了最高 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 4 A 1 1 . 5Zr合金的。由图2可知，铝元素的参加引起了合 金显微组织趋于均匀化， 这使得合金的硬度因铝的参加而得到了提高。由图3可知，参加合金中的铝元素除了与镁生成3Mg 1 7Ali 2以外，还有局部固溶到镁基体中。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，3-Mg 17Ali 2相的含量

9、过高并割裂了基体，且其硬度仅为93102HV13,抗弯强度也有一定程度的降低。4断口形貌由图5可见，Mg 1.5 Z r合金和Mg 6 A 1 1 .5 Z r合金的断裂形式均为穿晶断裂。由于镁基体晶界处孔洞、错颗粒以及 3Mg 1 7 Al 2相的存在，降低了镁晶粒之 间的结合力。因此当施加外力时， 镁晶粒便趋于别离而产生裂纹，随着裂纹的不断扩展使得合金最终发生断裂1415。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M g-6 A 1 - 1 .5 Z r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铸合金组织主要有a-Mg基体、错颗粒、 3-Mg 17Ali 2相，并存有在一些微小的孔洞； 随着铝