小研Sr 对AM80-1.3Ca 镁合金耐热性能的影响
引言
Mg-Al 系镁合金具有较高的室温强度、优良的铸造工艺性能和良好的耐蚀性等优点，是镁合金领域研究和应用的重点[1-2]。目前普遍认为，低成本的碱土元素Ca 和Sr 对镁合金的蠕变性能改善有益[3-6]。合金中添加Ca 能使镁合金的一些性能得到提高，并使它们的高温蠕变性能和高温硬度得以一定程度的改善。但是，由于存在不可忽视的铸造缺陷，如冷隔、热裂和粘模问题，限制了其进一步应用[7]。Sr 在Mg-Al 系合金中的合金化作用机制同Ca 类似，国外也已开发出性能较好的AJ 系列合金[8]。但是此类合金的熔化及浇注温度较高，压铸条件苛刻，且合金中含有大量Sr 元素，其价格也会高于以钙和混合稀土为主要成分的合金价格。国内外学者也研究了在Mg-Al 系合金中加Ca 后，再添加质量分数1%～4%的Sr 来改善Mg-Al-Ca 合金各方面性能的不足[9]。尽管如此，仅从Sr 的含量方面对此类合金进行评估，其仍摆脱不了上述AJ 系列合金的缺陷。Sr 作为一种变质、修复剂早已在Al 合金(特别是Al-Si合金)中广泛应用[10-13]。该元素对合金的基体和二次相的形态、数量和分布都有明显的改善。
因此，考虑在Mg-Al-Ca 合金中添加一定量的Sr (质量分数0.05%～1%)来对镁合金的基体和二次相的形态、数量和分布进行变质、修复，以期改善Mg-Al-Ca 合金的不足，提高合金的耐热性及合金的各方面综合性能，开发出真正低成本、高强度及高耐热性的镁合金。
1 实验材料及方法
配制合金的主要原料(纯度)为：镁(99.98%)，铝(99.6%)，锌(99.9%)，电解锰(95%)，锶以Al-10%Sr 中间合金的形式加入。实验合金的成分见表1。合金熔炼过程用RJ2 号熔剂阻燃、精炼，之后在740 ℃下浇铸到预热250 ℃的金属模中。
合金的蠕变性能用GWTA304 高温蠕变持久试验机测试。蠕变试样按ASTM 标准加工，其标距尺寸为φ10 mm×50 mm。测试在200 ℃/56 MPa 的物理条件下进行，各试样恒温持续加载时间均为100 h。
利用Leitz-MM-6 卧式金相显微镜和JEOL JSM-5600LV 型扫描电镜(SEM)分析合金的组织。
2 结果
2.1 合金的铸态组织
是AM80-1.3Ca 合金经Sr 变质后的金相组织。AM80-1.3Ca 合金晶界上分布着连续网状的二次相。当Sr 的质量分数为0.1%时，晶界处二次相有少许离散，但大部分还是呈聚集块状分布。当Sr 的质量分数为0.2%时，二次相变成短棒状或颗粒状，且基本呈弥散分布状态。当Sr 的质量分数增至0.3%时，二次相离散分布程度进一步加大，但其形态却变成了长条状或者针状。当Sr 的质量分数为0.5%时，晶界处二次相又重新大致呈网状分布，但网状程度较轻。
2.2 合金的蠕变性能
是本实验系列合金在200 ℃/56 MPa 条件下的蠕变曲线分别是由合金蠕变曲线统计出的'100 h 内蠕变总延伸率和第2 阶段蠕变速率(稳态蠕变速率)。由可知，AM80-1.3Ca 合金的稳态变形速率和100 h 内的蠕变延伸率分别为3.5×10-9 s-1 和1.3%。
在AM80-1.3Ca 合金的基础上，添加0.2% Sr 后，合金的抗蠕变性有所提高，但幅度不大。
当Sr 的质量分数增至0.3%时，合金的抗蠕变性突然下降，其稳态蠕变速率和100 h 蠕变量分别达7.1×10-9 s-1 和2.3%。当Sr 的质量分数为0.5 时，合金的稳态蠕变速率和100 h 蠕变量又分别降至1.7×10-9 s-1 和0.8%，此时AM80-1.3Ca-0.5Sr 合金的抗蠕变性为本实验合金系中最优。
3 分析讨论
在 Mg-Al 系合金AM80 中，添加一定量的Ca 可对合金组织中的物相的组织晶粒度产生较大的影响[14-15]；而在AM80-Ca 合金中加入一定量的变质剂Sr，合金的组织也将产生较明显的变化。据笔者前期对AM80-Ca-Sr 合金组织的研究结果可知，在AM80-1.3Ca 合金的组织由基体Mg 和一定量的晶界相Al2Ca 和Mg17Al12 相组成。其中Al2Ca 相系高熔点相，对合金耐热性的提高有利，Mg17Al12 相系低熔点共晶相，对合金耐热性的提高不利。0.1%～0.5%Sr 对AM80-1.3Ca 合金中Al2Ca 相有较强的变质作用。通过Sr 对Al2Ca 相颗粒的吸附和变质作用，使得该相由类似骨骼状逐渐变为小块状或条状，弥散分布在晶界处。随Sr 的质量分数由0.1%增至0.5%，基体中Al 原子的固溶度逐渐增加，降低了合金凝固时剩余液相中Al 原子分数，从而进一步抑制了β-Mg17Al12 相的析出，同时也提高了Al2Ca 相在晶界处的体积分数。加Sr 后，AM80-1.3Ca 合金组织中高熔点相Al2Ca 的增加和低熔点相Mg17Al12 的减少对提高合金耐热性非常有利。