溶质、异质形核剂和超声处理对纯Mg、Mg-Zn和Mg-Zr合金凝

具有细小等轴晶组织的铸件，通常具有良好的力学性能。通过在熔体中添加晶粒细化剂，可以减少偏析缺陷，细化合金微观组织。工业镁合金中常见的晶粒细化剂包括Zr颗粒和碳基颗粒。但使用细化剂时存在以下问题：(i)Zr容易沉降、收得率低；(ii)细化剂的尺寸和分布不均匀；(iii)晶粒细化效果强烈依赖于添加方法的有效性和活性颗粒的密度。在合金凝固过程中使用超声处理(UST)，可以有效改善上述问题，提高晶粒细化效率。但细化效果受超声处理时熔体的温度、超声波探头（即超声波发射器）是否预热、溶质和细化剂等影响。而目前关于镁合金中溶质、异质形核剂、超声处理的温度范围对于晶粒细化的影响机制尚不清楚。

近日，来自澳大利亚昆士兰大学的Matthew S. Dargusch博士等人，通过对纯镁、Mg-xZn（x=0.5，3，6%）和Mg-xZr（x=0.2，0.5，1.0%）合金进行如表1所示的超声处理（Ts指过热度，S1和S2指分别在100℃和40℃的过热度下应用超声处理直至和合金凝固，S2P指超声处理时使用了预热的超声波探头，L指只在液相线以上进行超声处理而不影响晶粒形核），并系统比较和研究了各铸造条件下晶粒的形成机理，探讨了溶质、异质形核剂的作用和晶粒细化机制。结果发现，用未预热的超声波探头在纯镁中进行超声处理时，其形成的细小非枝晶组织与过热度有关；在较低过热度下进行超声处理时晶粒细化更显著。在常规铸造条件下，由于Zr颗粒可提供形核位点，促进形核，在镁中添加Zr比添加Zn具有更好的细化效果；而在低过热度下进行超声处理时，溶质含量偏高的共晶Mg-Zn合金晶粒细化显著，平均晶粒尺寸小于200 μm，有利于降低生产细晶镁合金的成本。

表1 试验中超声处理的温度范围和持续时间

系统研究了不同超声处理方式对于镁合金晶粒尺寸的影响规律。对于纯镁而言，未超声处理时（铸态）呈柱状晶；在S1和S2范围内进行超声处理后（分别为UST-S1和UST-S2），晶粒显著细化，且UST-S2处理后的晶粒细化效果更好，晶粒尺寸相比未超声处理时减小了近83%（图1）。对于Mg-6.0Zn合金而言，未超声处理时（铸态）合金呈枝晶状结构；经过UST-S1、UST-S2和UST-S2P处理后，晶粒细化效果优异（晶粒尺寸为120 μm-150 μm），无二次枝晶形成（图1）。Mg-6.0Zn合金进行超声处理时，晶粒细化效应与纯镁不同，与过热度相关性较小。对于Mg-xZr（x=0.2，0.5，1.0%）合金而言，未进行超声处理时，只有Mg-1.0Zr合金的晶粒细化效果较好（图2）；分别在熔体中和S2范围内进行超声处理后（UST-L和UST-S2），合金均发生较为显著的晶粒细化，而UST-S2的晶粒细化效果最好，这主要是由于在凝固过程中，超声波探头周围存在一定的过冷度且提供了形核位点，促进了晶粒形成。

图1 经表1所示超声处理和未超声处理后的晶粒尺寸：(a-c)纯镁，(d-g)Mg-6.0Zn

图2 Mg-xZr（x=0.2，0.5，1.0%）合金未经超声处理和经不同超声处理后的晶粒尺寸：(a-c) 0.2Zr，(d-f) 0.5 Zr，(d-i) 1.0 Zr

系统研究了不同含量的溶质和异质形核剂对于镁合金晶粒尺寸的影响规律。Mg-Zn和Mg-Zr合金的晶粒尺寸随Zn（溶质）、Zr（异质形核剂）添加量的变化情况如图3所示。在未超声处理的Mg-Zn合金中（铸态），晶粒尺寸随溶质（Zn）含量增加逐渐减小；超声处理后，合金的平均晶粒尺寸从250 μm减小到150 μm，晶粒细化效果良好。对于Mg-Zr（x=0.2，0.5，1.0%）合金而言，只有当Zr≥0.5%（包晶浓度）时，熔体中Zr的含量高且Zr作为异质形核剂分布比较均匀时，晶粒细化才显著，因此只有Mg-1.0Zr合金的晶粒细化效果较好；当超声处理仅在液相线以上进行时（UST-L），晶粒细化的效果取决于异质形核剂的分布和活化程度，当Zr≥0.5%（包晶浓度）时，才能获得较为优异的细化效果；在S2范围内进行超声处理后（UST-S2），由于在超声波探头的下方存在较大的过冷度，促进了晶粒形成，因此即使在Zr含量为0.2%的合金中，也会产生较好的细化效果。

图3 晶粒尺寸随合金添加量的变化：(a)Mg–Zr，(b)Mg–Zn合金

系统研究了Mg、Mg-6.0Zn和Mg-1.0Zr合金的晶粒细化与过热度之间的关系，如图4所示。在纯镁中，由于纯金属的最终晶粒尺寸取决于晶粒的形核速度和长大速度，晶粒尺寸随过热度增加而急剧增大；在镁中添加Zn后，晶粒细化效果良好，超声处理温度范围和超声波探头是否预热对合金的晶粒细化效应影响较小；在镁中添加Zr后，晶粒细化效果显著，即使只在液态进行超声处理（UST-L），也能获得优异的细化效果。Zn和Zr的添加降低了晶粒细化效应对于超声处理温度范围的依赖性。

图4 超声处理时晶粒尺寸与过热度的关系

探讨了合金在超声处理时的晶粒细化机理。通常，在自然对流的铸造过程中，合金的凝固从模具壁开始，向铸件的中心扩展。由于Zr可作为形核位点，促进晶粒形核，在镁合金中添加Zr比添加Zn具有更好的细化效果。而在超声处理过程中，一方面，溶质通过产生成分过冷，将激活固液界面前沿的晶粒形核；另一方面，在超声波探头的下方会产生大量过冷，促进晶粒形核，并通过声流将形成的晶核扩散到铸件的其他区域，形成等轴晶组织。此外，在过热度较低时进行超声处理（UST-S2），在超声波探头表面形成的过冷度更高，对晶粒的细化效果比在高过热度下进行超声处理更为显著。在低过热度下进行超声处理时，具有足够溶质的共晶Mg-Zn合金将产生显著的晶粒细化（图5），平均晶粒尺寸小于200 μm，有利于降低细晶镁合金的生产成本。

图5 在未加晶粒细化剂时，通过添加适量的溶质结合低过热度的超声处理，可获得显著的晶粒细化