镁合金热处理工艺及研究现状

摘要：镁合金具有较高的比刚度、比强度、良好的电磁屏蔽性、减振性能和散热性能，是最轻的结构金属材料之一，在航空航天领域具有广泛的应用前景。本文综述了镁合金热处理工艺及其研究现状。

关键词：镁合金、热处理、研究现状

多数镁合金都可通过热处理来改善或调整材料的力学性能和加工性能。镁合金能否通过热处理强化完全取决于合金元素的固溶度是否随温度变化。当合金元素的固溶度随温度变化时，镁合金可以进行热处理强化。镁合金的常规热处理工艺分为退火和固溶时效两大类。

镁合金热处理强化的特点是：合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢，因此固溶和时效处理时需要保持较长的时间。另外，镁合金在加热炉中应保持中性气氛或通入保护气体以防燃烧。

一、退火

退火可以显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性，对某些后续加工有利。变形镁合金根据使用要求和合金性质，可采用高温完全退火(O)和低温去应力退火(T2)。

完全退火可以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化效应，恢复和提高其塑性，以便进行后续变形加工。完全退火时一般会发生再结晶和晶粒长大，所以温度不能过高，时间不能太长。当镁合金含稀土时，其再结晶温度升高。AM60、AZ31、AZ61、AZ60合金经热轧或热挤压退火后组织得到改善。去应力退火既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、校正和焊接过程中产生的残余应力，也可以消除铸件或铸锭中的残余应力。

二、固溶和时效

1、固溶处理

要获得时效强化的有利条件，前提是有一个过饱和固溶体。先加热到单相固溶体相区内的适当温度，保温适当时间，使原组织中的合金元素完全溶入基体金属中，形成过饱和固溶体，这个过程就称为固溶热处理。由于合金元素和基体元素的原子半径和弹性模量的差异，使基体产生点阵畸变。由此产生的应力场将阻碍位错运动，从而使基体得到强化。固溶后屈服强度的增加将与加入溶质元素的浓度成二分之一次方比。

根据Hmue-Rothery规则，如果溶剂与溶质原子的半径之差超过14%～15%，该种溶剂在此种溶质中的固溶度不会很大。而Mg的原子直径为3.2nm，则Li，Al，Ti，Cr，Zn，Ge，Yt，Zr，Nb，Mo，Pd，Ti，Pb，Bi等元素可能在Mg中会有显著的固溶度。另外，若给定元素与Mg的负电性相差很大，例如当Gordy定义的负电性值相差0.4以上(即∣xMg-x∣>0.4)时，也不可能有显著的固溶度。因为此时Mg和该元素易形成稳定的化合物，而非固溶体。

2、人工时效

沉淀强化是镁合金强化(尤指室温强度)的一个重要机制。在合金中，当合金元素的固溶度随着温度的下降而减少时，便可能产生时效强化。将具有这种特征的合金在高温下进行固溶处理，得到不稳定的过饱和固溶体，然后在较低的温度下进行时效处理，即可产生弥散的沉淀相。滑动位错与沉淀相相互作用，使屈服强度提高，镁合金得到强化：

Tyield=(2aGb)/L+τa(1)

式中Tyield为沉淀强化合金的屈服强度;τa为没有沉淀的基体的屈服强度;(2aGb/L)为在沉淀之间弯出位错所需的应力。

由于具有较低的扩散激活能，绝大多数镁合金对自然时效不敏感，淬火后能在室温下长期保持淬火状态。部分镁合金经过铸造或加工成形后不进行固溶处理而是直接进行人工时效。这种工艺很简单，可以消除工件的应力，略微提高其抗拉强度。对Mg-Zn系合金就常在热变形后直接人工时效以获得时效强化效果，即可获得T5状态加工产品。

3、固溶处理+人工时效

固溶淬火后人工时效(T6)可以提高镁合金的屈服强度，但会降低部分塑性，这种工艺主要应用于Mg-Al-Zn和Mg-RE-Zr合金。为了充分发挥时效强化效果，对含锌量高的Mg-Zn-Zr合金也可选用T6处理。进行T6处理时，固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过程中发生分解并析出第二相。时效析出过程和析出相的特点受合金系、时效温度以及添加元素的综合影响，情况十分复杂。另外，不同镁合金系其热处理工艺不同，不同类型工件其热处理工艺也不相同。镁合金挤压件脱模后需要采用强制气冷或水冷进行淬火以获得微细均匀的显微组织。然而在淬火过程中，禁止冷却水与热模具直接接触，否则将导致模具开裂。挤压的镁合金材料其状态主要有T5、T6、F。其中T5为在线淬火后再进行人工时效的状态;T6为固溶处理与人工时效状态;F为原加工状态即挤压状态。固溶处理可提高强度，使韧性达到最大，并改善抗震能力。固溶处理之后再进行人工时效，可使硬度与强度达到最大值，但韧性略有下降。镁合金材料在热加工、成形、矫直和焊接后会留有残余应力。因此，应进行去应力退火。

三、镁合金热处理工艺的研究现状

田学峰等人对不同热处理工艺条件下消失模铸态AZ91镁合金的组织和力学性能进行了系统的研究，结果表明，高温时效沉淀在晶内及晶界处以连续形式析出，而在低温时效时沉淀以不连续形式在晶界形成，并具有糖浆状。经过热处理后合金的综合力学性能有较大幅度的提高，其中高温时效对提高强度及加工硬化率尤为有利。另外，晶粒的尺寸和数量会随固溶温度和时间发生改变，且由显微分析可发现不同形态的粒子。通过对析出物的尺寸进行统计分析，可发现该状态的合金固溶温度更接近于435℃而非415℃。显微组织的改变使合金硬度在高温下随时间的延长而降低。

ZhengMY等人研究了压铸SiCw/AZ91镁合金的时效行为。发现添加SiC晶须后，SiCw/AZ91复合物的沉淀过程并未发生改变，但复合物中的时效过程会比AZ91合金的要快。SiC晶须的添加改变了Mg17Al12的分布，析出物优先在SiCw/AZ91界面上形成。优先形成的界面析出物耗尽了基体中的Al，使复合物基体中的连续析出相数量减少，分布不连续，因此SiCw/AZ91复合物中的时效硬化效率比AZ91合金中的要低。

麻彦龙等人对ZK60镁合金热处理后的组织进行了较为全面的研究，初步确定了时效ZK60镁合金中主要合金相的种类和形态。实验结果表明，ZK60镁合金铸态组织中存在大量共晶组织，共晶组织主要由α-Mg和MgZn相组成，其形态和分布具有多样性。分段固溶工艺(380℃12h十510℃×12h)最大限度消除了共晶组织，使固溶样品显微硬度接近镁基体。在铸态、固溶处理和时效处理的ZK60镁合金中均存在MgZn2相，它们无取向分布，形貌呈近似平行四边形，大小在200nm～500nm之间，对热处理不敏感。时效ZK60镁合金中的第二类析出相是MgZn相，形态为长约500nm的条状，与基体有严格的位相关系。第三类析出相是Mg2Zn3相，形态为长约100nm的短杆状，它是时效ZK60镁合金中数量最多，尺寸最小，分布最均匀的析出相。

董文超等研究了T61热处理工艺和过热度对AM60镁合金显微组织及力学性能的影响。结果表明：热处理过程中，β相在α相内的固溶以及在晶内和晶界上的析出改善了AM60镁合金的显微组织，同时AM60镁合金的力学性能有了较大的改善。