ZM61高強變形鎂合金熱處理工藝的優(yōu)化研究.pdf

1、本文利用金相顯微組織觀察、掃描電鏡觀察(SEM)、能譜分析(EDS)、力學(xué)性能測試和顯微硬度測試等途徑，系統(tǒng)地研究了熱處理工藝對Mg-6Zn-1Mn高強鎂合金組織和性能的影響，主要討論了以下內(nèi)容：ZM61鎂合金固溶處理的必要性、固溶工藝的研究；改變預(yù)時效溫度和時間來優(yōu)化合金的雙級時效工藝；ZM61的新型多級時效(T616)工藝；時效前的預(yù)變形處理對ZM61合金組織和性能的影響。通過能譜分析(EDS)、X射線衍射物相分析(XRD)以及透射

2、電鏡觀察(TEM)等方式對合金的各狀態(tài)以及工藝的各階段顯微組織進行了研究，綜合得出了以下結(jié)果：
　　 (1)真空感應(yīng)熔煉制得組織呈樹枝晶狀的Mg-6wt.％Zn-1wt.％Mn合金鑄錠，枝晶間和枝晶內(nèi)存在共晶化合物Mg7Zn3。經(jīng)330℃×24 h均勻化處理消除了鑄錠偏析，組織變得均勻，均勻化過程中鑄態(tài)中的Mg7Zn3逐漸擴散，在空冷時分解，重新析出化合物MgZn，過程中伴隨少量α-Mn的析出且Mn起到了除雜的作用。合金在320

3、℃下能擠壓成型，完成回復(fù)動態(tài)再結(jié)晶，形成細小均勻的晶粒組織。高溫(420℃)擠壓時易出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒變大、尺寸不均勻的現(xiàn)象。擠壓溫度越高，合金力學(xué)性能越差，并且擠壓態(tài)合金強度較低，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征。Mg7Zn3分解成的MgZn化合物并未在動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶過程中完全溶入基體，仍存在于擠壓態(tài)中且隨擠壓溫度的升高，殘留量越少。
　　 (2)對于可時效強化的Mg-6Zn-Mn變形鎂合金，企圖通過熱處理來提升強度就必須在時效前進行固溶

4、處理，且最佳的固溶處理工藝是420℃×2 h。相對于擠壓成型后直接時效(T5工藝，包括Single aging和Double aging)，“固溶+時效”(特別是T4+2-step-aging)可顯著提升合金力學(xué)性能，抗拉強度為362 MPa，達到含鋯鎂合金ZK60的強度水平。固溶處理使擠壓得到細小均勻的晶粒明顯長大，時效處理對合金晶粒度影響不明顯。高溫擠壓成型的合金已發(fā)生部分固溶效應(yīng)。合金在經(jīng)過420℃×2 h固溶工藝處理后，可以使擠

5、壓態(tài)的未溶Mg-Zn化合物充分溶入Mg基體中，且Mn以α-Mn單質(zhì)顆粒的形式析出，為后續(xù)的時效熱處理β'相的析出做準備。在“T4+2-step-aging”工藝的預(yù)時效階段有彌散的α-Mn和G.P.區(qū)出現(xiàn)，峰時效便析出彌散的β'相強化合金。
　　 (3)雙級時效制度中，預(yù)時效時間越長，終時效后合金硬度越大，且均在終級時效處理4h左右達到峰值。合金通過90℃×32 h+180℃×4 h工藝處理后，UTS超過370MPa。當服役條件

6、的強度要求低于350 MPa時，采用110℃×5 h+180℃×4h工藝可明顯縮短時效處理時間，提高生產(chǎn)效率。綜合考慮，90℃×12 h+180℃×4h為最優(yōu)雙級時效工藝，在總時效16 h可達到Y(jié)S：330 MPa，UTS：350 MPa，延伸率為5.5％的優(yōu)良綜合力學(xué)性能。雙級時效工藝中，不同預(yù)時效處理后，合金的顯微組織無明顯區(qū)別，且時效后都表現(xiàn)出合金晶間干凈、晶粒組織均勻的特點。90℃×32 h+180℃×4 h工藝預(yù)時效處理后，合

7、金中的G.P.區(qū)數(shù)量明顯高于110℃×5 h和90℃×12 h兩種預(yù)時效工藝，生成了更彌散的桿狀β1'相強化合金。
　　 (4)ZM61合金經(jīng)T616兩種時效工藝(T616-1:180℃×10 min+90℃×32h+180℃×x h：T616-2:180℃×10 min+70℃×60 h+180℃×x h)處理后，顯微硬度在終時效處理2 h左右達到峰值，接近95 HV；T616 third step-12 h工藝的UTS為36

8、5 MPa，達到ZK60的水平，而YS為352 MPa，屈強比高達0.96。T616工藝相對于單級峰時效使合金力學(xué)性能大幅提高，但與優(yōu)化后的雙級時效工藝相比力學(xué)性能上并沒有進一步提升，從工藝優(yōu)化的角度看也毫無優(yōu)勢。在T616工藝的第一級和第二級，合金的強度并沒有明顯提升，只有Mn元素繼續(xù)以α-Mn的形式析出和大量G.P.區(qū)的生成(特別是第二級處理)。在第三級處理時，他們作為析出相的異質(zhì)核心，加快過渡析出相的析出速度和彌散度，尤其是起主要

9、強化作用的桿狀β1'相的數(shù)量明顯增多，使合金強化速度加快，強度提高。
　　 (5)預(yù)變形可加快合金的時效析出動力學(xué)，縮短達到峰值時效的時間且明顯提高合金的屈服強度，使ZM61合金屈強比接近1，擴大了其實際應(yīng)用的范圍。合金顯微組織上，時效處理前的塑性變形產(chǎn)生的大量位錯和孿晶，位錯可作為析出相的異質(zhì)核心加快析出速度；變形量越大，合金組織中孿晶越多。合金經(jīng)不同變形量預(yù)變形后，在同一溫度下進行時效處理，強度漲幅相當，5％變形略高于3％變