摘 要：利用喷射沉积技术制备了新型Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金，经热挤压工艺得到最终试验合金，采用光学显微镜（OM），X射线衍射（XRD），扫描电镜（SEM）等方法研究了试验合金经固溶和时效热处理后的微观组织变化。试验结果表明：挤压态试验合金主要组成相为α-Mg相和Al2Ca相，组织致密，晶粒细小，第二相数量多，弥散分布在基体上。固溶处理以后，第二相大量回溶，均匀分布在基体上；试验合金经时效工艺处理后，第二相重新析出。

关键词：喷射沉积；镁合金；热挤压；固溶；时效

由于镁及镁合金材料密度低，质量轻，具有比强度高、弹性模量低、减震性能好、切削性能优良、电磁屏蔽性能优良、回收率高、新型环保等优良性能，其在航空、汽车、家电、通讯、电子等领域广泛应用[1]。但是镁合金在传统工艺制备过程中极易造成混入杂质和氧气，造成成分不均匀、气孔、开裂等各种问题，限制了镁合金的精密使用[2]。而喷射沉积技术是一种新型的合金制备方法[3]。该方法制备的镁合金，坯锭致密度高，合金成分均匀，晶粒细小，合金的性能较好。

碱土元素Ca资源丰富，价格便宜，性能优良，加入镁合金中能降低合金燃点，显著改善合金的机械性能[3]。稀土元素可以起到细化晶粒，增加强度的作用。所以本实验中以传统Mg-12.55Al-3.33Zn合金为基礎，加入Ca元素和Nd元素，制备出新型的镁合金，研究其显微组织，为制备性能更加优良的镁合金提供一定的基础。

1 实验

采用喷射沉积方法制备Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金坯锭。试验中，浇注温度为800℃，喷射沉积距离为720mm， 雾化气体为氮气，雾化气体压力为0.7MPa，雾化气体流量为24m3/min，熔体流率为6.0kg/min。采用热挤压方式把合金坯锭内部稳区挤压成棒材。挤压温度为350℃，挤压速度为3mm/min，挤压比为16：1，棒材直径为30mm，空冷至室温。

从挤压态镁合金棒材上制取金相试样，经抛光后用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，观察金相组织。然后试样分别在515℃固溶2h后水淬，再经180℃时效，时间为16小时。利用奥林巴斯金相显微镜和S-3400扫描电子显微镜分别观察固溶及时效后的显微组织，结合D-8型X射线衍射仪，分析热处理工艺中镁合金显微组织变化。

2 结果与讨论

2.1 挤压态金相

图1（a）、1（b）分别是挤压态合金在光学显微镜下观察到的金相组织图。由上图可以看出，合金的组织很致密，第二相数量较多，颗粒比较细小，弥散分布在基体上。但是晶界不明显，分析其原因，可能是在热挤压过程中晶界被挤碎，也可能是第二相数量太多把晶界覆盖了。图1（a）为挤压态横断面金相组织，由图可以看出，合金经过热挤压以后，第二相细化并均匀分布在基体上，但仍有少量大块状物质存在，说明挤压不太完全。图1（b）为挤压态纵断面金相组织，由图可以看出第二相细化以后沿挤压方向呈带状排列。综上分析可知，热挤压可以改善合金的组织，使组织细化，这大大有助于提高合金的力学性能。但是由于晶粒分布不均匀，必须进行进一步的热处理。

2.2 热处理态金相

图2（a）、2（b）分别是镁合金试样经热处理之后的金相组织图。图2（a）为试验合金经515℃固溶处理2h后，经水淬冷却，得到的金相组织。由图上可以看出第二相逐渐固溶入α-Mg基体之中，过饱和固溶体的过饱和度越来越大。镁合金固溶处理的最理想组织是使第二相粒子尽可能的溶入到α-Mg基体中。为了使第二相更好的溶入到基体中，对试验合金进行时效处理，增加固溶体的饱和度。图2（b）a是镁合金经过515℃固溶处理后，在180℃时效16h的金相照片。由图可以看出，经过时效处理后，α-Mg基体上的析出相明显增多，且颗粒细小，呈弥散分布。

2.3 XRD物相分析

图3（a）、3（b）分别为试验合金挤压态及固溶时效态的XRD分析结果。图3（a）为挤压态试验合金的X射线衍射图谱，对照标准图谱分析可知：试验合金挤压态的主要组成相为α-Mg相和Al2Ca相，合金中的Mg-Zn化合物很少，可以忽略不计。Mg17Al12相几乎不存在。大量的Al2Ca相分布在基体上，主要是因为喷射沉积成形工艺的冷速较快，随着沉积过程的进行，沉积体的温度升高，导致合金元素析出，直接形成了沉淀相。而热挤压过程只是把粗大的第二相挤碎，并没有原子的扩散。3（b）为时效态试验合金的X射线衍射图谱。

通过对时效态合金进行XRD分析可知，合金在经过固溶及时效处理以后其相组成几乎没有变化，仍主要为α-Mg相和Al2Ca相，只是第二相的衍射峰有所减弱，晶粒分布有序且均匀化。这说明固溶处理过程中绝大多数第二相发生了回溶，在时效过程中只有部分析出，这与固溶及时效过程中金相组织的演变规律相一致。

试验合金中，Ca元素和Nd元素的加入使得Mg-12.55Al-3.33Zn型合金的第二相发生了很大的变化。Ca加入到Mg-Al-Zn型合金中优先与Al形成化合物[5]。从凝固过程来看，Al2Ca和Mg17Al12的熔点分别为1079℃和437℃，在凝固早期，Al2Ca将优先于Mg17Al12形核，先出现的Al2Ca会抑制Mg17Al12的形成与析出[6]。而部分Nd元素固溶于α-Mg中，降低了固溶体的扩散系数，使Zn在α-Mg固溶体中的扩散变得相对困难，从而抑制了Mg-Zn化合物的形成，而Zn就弥散分布在α-Mg固溶体，其余的Nd溶入Al2Ca中。故本试验中镁合金的组成相主要为α-Mg相和Al2Ca相。

2.4 扫描电镜分析

图4（a）、（b）、（c）分别为试验合金在挤压态、固溶态和时效态的扫描图。由图4（a）可以看出合金组织非常细小，Al2Ca相弥散分布在α-Mg基体上；图4（b）为合金经过固溶处理后的扫描照片，可以看到虽然仍有一定数量的Al2Ca相分布在α-Mg基体上，不过相对于图4（a）来说量已经很少且分布均匀化，说明固溶过程中大部分的第二相溶入到过饱和的固溶体中；由图4（c）可以看出有大量的析出物均匀分布在晶内，经XRD测定为Al2Ca相，说明挤压态合金与时效态合金的相组成相同，扫描照片显示，只是第二相数量上有所不同。时效过程中析出的Al2Ca相远少于挤压态中的Al2Ca相，只是体积较大。

3 结论

喷射沉积制备的Mg-Al-Zn-0.58Ca-1.0Nd合金试样，经热挤压、固溶处理、时效处理后，合金中的组成相主要为α-Mg相和Al2Ca相。

参考文献：

[1]吴国华，陈玉狮，丁文江.镁合金在航空航天领域研究应用现状与展望[J].载人航天，2016，22（3）：281-292.

[2]周惦武，庄厚龙，刘金水，等.镁合金材料的研究进展与发展趋势[J].河南科技大学学报（自然科学版），2004，25（3）：14-18.

[3]王文明，潘复生，曾苏民，等.喷射成行技术的发展概况及展望[J].重庆大学学报，2003，3（2）：87-89.

[4]董太尚，白朴存，侯小虎，等.喷射沉积Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金组织与力学性能研究[J].稀有金属材料与工程，2011，40（4）：689-692.

[5]曾小勤，丁文江，姚正裔，等.Mg-Al-Zn系合金组织和力学性能[J].上海交通大学学报，2005，39（1）：46-51.

[6]欧阳高勋，谭敦强，陈伟，等.Nd对喷射成行Mg-9Al-3Zn-6.5Ca-0.6Mn镁合金组织及力学性能的影响[J].粉末冶金工业，2008，10（5）：24-27.

作者简介：王营霞（1986-），河南濮阳人，汉族，硕士，助理工程师，现在西安工业大学国有资产管理处工作，研究方向为国有资产管理。