Acta Metallurgica Sinica 2016 , 52 (10): 1279-1296 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00323

Orginal Article

镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟^*

荆涛¹^,, 帅三三¹, 汪明月², 郑启威¹

1 清华大学材料学院先进成形教育部重点实验室, 北京 100084
2 北京航空航天大学国际交叉研究中心, 北京 100191

RESEARCH PROGRESS ON 3D DENDRITE MORPHO-LOGY AND ORIENTATION SELECTION DURING THE SOLIDIFICATION OF Mg ALLOYS: 3D EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION AND PHASE FIELD MODELING

JING Tao¹^,, SHUAI Sansan¹, WANG Mingyue², ZHENG Qiwei¹

1 School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 International Research Institute for Multidisciplinary Science, Beihang University, Beijing 100191, China

通讯作者: Correspondent: JING Tao, professor, Tel: (010)62785854, E-mail: jingtao@mail.tsinghua.edu.cn

责任编辑: JING TaoSHUAI SansanWANG MingyueZHENG Qiwei

收稿日期: 2016-07-22

网络出版日期: 2016-10-27

基金资助: * 国家自然科学基金项目51175292和先进成形制造全流程建模与仿真创新平台项目2012ZX04012-011资助

作者简介:

作者简介: 荆涛, 男, 1965年生, 教授

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摘要

Mg作为一种典型的hcp结构金属, 其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响, 目前针对镁合金中α-Mg 枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏, 基于此, 本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成果. 借助同步辐射X射线微观断层扫描技术以及相场数值模型, 研究了镁合金凝固过程中α-Mg (X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al, Ca, Zn 和Sn 等)、固溶元素含量(溶质浓度)等因素对α-Mg 枝晶生长选择和演化的影响. 研究结果表明, 固溶元素、固溶元素含量等因素都会对镁合金中α-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响. 在Mg-Ca和Mg-Al (hcp-fcc)合金中, 枝晶倾向于以<11 $2 ̅$ 0>或<22 $4 ̅$ 5>为择优方向生长. 在Mg-Sn (hcp-bct)合金中, 等轴生长的枝晶沿着基面上<11 $2 ̅$ 0>和偏离基面的<11 $2 ̅$ X> ( $X ≈ 2$ )方向形成一种18次分支的结构, 在Mg-Zn (hcp-hcp)合金中, α-Mg枝晶的择优取向会随着Zn含量的增加, 从<11 $2 ̅$ 0>方向朝偏离基面的<11 $2 ̅$ 1>方向发生连续转变, 并在转变的过渡区, 发现了超支化的藻状枝晶结构, 其原因可能是高各向异性Zn元素的引入带来的固/液界面自由能各向异性的变化. 研究结果从一定程度上揭示了镁合金凝固过程中α-Mg枝晶生长形貌和分支结构选择多样性的规律. 同时基于快速X射线成像技术率先开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化原位表征研究, 获得了镁合金凝固过程三维枝晶的生长演化过程.

关键词： 镁合金 ; 凝固 ; 三维枝晶形貌 ; 相场模拟 ; X射线微观断层扫描

Abstract

As a typical hexagonal close-packed structure metal, the dendritic morphology and preferential orientation of Mg would be influenced by many factors. Current investigations still fall short on the thorough description of the diversity and complexity of dendrites growth patterns and their origination, therefore, this paper re viewed recent research progress of this group on 3D characterization of microstructure in solidified magnesium alloys. Using synchrotron X-ray tomography and phase-field modeling, the formation mechanism of the diverse α-Mg (X) dendrites and the affections of alloying element (such as Al, Ca, Zn, and Sn), solute concentration on the growth selection and evolution of α-Mg dendrites during solidification were studied. The results indicate that the alloying elements and solute concentration would impose a significant influence on the morphology and orientation selection of the primary α-Mg dendrites. In Mg-Ca and Mg-Al (hcp-fcc) alloys, dendrites tend to grow with preferred orientation of <11 $2 ̅$ 0> or <22 $4 ̅$ 5> which is in good agreement with the traditional expected direction. The equiaxed growth dendrites in Mg-Sn (hcp-bct) alloys evolve as a structure with 18 branches, six of which grow on the basal plane along <11 $2 ̅$ 0> and the remaining 12 along <11 $2 ̅$ X> (X≈2) off the basal plane. For the case in Mg-Zn alloys, an orientation transition from <11 $2 ̅$ 0> on the basal plane to <11 $2 ̅$ 1> off the basal plane are observed with the increasing addition of Zn alloying element, a hyperbranched seaweed structure is also revealed with an interim composition. A probable explanation is that the addition of high anisotropy Zn would slightly alter the anisotropy of interfacial free energy in front of the growth interface which results in a dendrite orientation transition (DOT). These findings partially reveal the underlying formation mechanism and origination of the diversity dendritic morphologies and branching structures of α-Mg dendrites in Mg alloys. Furthermore, with the fast X-ray imaging facility, in situ observations of the 3D microstructure evolution in Mg alloys during solidification are also carried out and the evolution of α-Mg dendrites are obtained for further analysis.

Keywords： Mg alloy ; solidification ; 3D dendritic morphology ; phase-field simulation ; X-ray tomography

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荆涛, 帅三三, 汪明月, 郑启威. 镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟^*[J]. , 2016, 52(10): 1279-1296 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00323

JING Tao, SHUAI Sansan, WANG Mingyue, ZHENG Qiwei. RESEARCH PROGRESS ON 3D DENDRITE MORPHO-LOGY AND ORIENTATION SELECTION DURING THE SOLIDIFICATION OF Mg ALLOYS: 3D EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION AND PHASE FIELD MODELING[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(10): 1279-1296 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00323

镁合金由于质量轻, 除了具有优良的综合性能(比强度高, 导热性、成型加工性好等)外, 还易于回收, 被誉为“21世纪的一种绿色工程材料”, 目前已广泛应用于航天航空、汽车和电子产品等领域. 近年来, 随着对汽车轻量化、节能减排、能源高效、环境友好、可持续发展工程系统等方面的需要, 以镁合金为代表的轻质合金在动力运输、电力储能以及3C产业等领域得到了越来越广泛的应用^[1-3].

目前应用最为广泛的商用镁合金基本都是以Mg-Al和Mg-Zn等为基的合金系, 如AZ和AM系列合金. 这些合金系大都属于亚共晶成分的合金系^[2], 在凝固过程中均以α-Mg作为初生相, 共晶相以及其它少量的二次析出相是在初生基体相或者它们的间隙中形成的, 因而先凝固基体相的三维形貌、体积分数、晶粒分布及形成的初始网状互联枝晶结构对凝固合金的性能至关重要, 不仅决定了合金的成分偏析、晶内偏析、孔洞及夹杂的形成及分布, 还进一步影响后续的加工过程^[4-6]. 如何在材料成型过程中控制或改变初生枝晶相形成,以及在此基础上建立能够反映力学性能的组织-性能关系模型, 是实现控制组织、控制性能、研发新材料的关键.

工程材料的微观组织结构表现为典型的三维多晶结构, 且与材料的宏观性能紧密相关, 全面、准确地认识材料的组织特征尤其是三维微观结构, 对于深入研究材料性能及实际工况下的服役行为具有重要意义. 材料微观结构三维表征是当今国际公认的制造科学、物理科学、成像科学、材料科学以及信息科学等交叉的重要学科前沿领域之一. 在美国、欧洲等发达国家和地区已经广泛采用序列层切^[7-9]、扫描电镜中嵌套双光束聚焦离子束(FIB-SEM/EBSD)^[10-16]、X射线微观断层扫描^[17-25]等三维表征技术, 对合金材料、纳米材料、纳米复合材料、高分子材料、多孔材料、生物材料等多学科领域进行了深入的研究, 已获得了诸多材料的三维微观组织特征, 并据此建立了相应的三维微观结构演化数值模型.

由于X射线微观断层扫描技术具有非破坏性(no-destructive)和高分辨率, 也可以对跨尺度(毫米级到纳米级)的材料进行三维微观结构定性和定量化表征, 目前已经成为材料科学、生物、机械、地理、能源等多个领域广泛应用的表征技术. 另一方面, 镁合金具有典型的hcp结构, 在枝晶形貌和生长选择多样性方面极具代表性^{[23,24,26-33]}. 不过, 目前针对富Mg的铸造二元合金微观组织结构三维表征实验研究较少, 基于镁合金三维凝固微观组织的数值模拟研究也不多见, 所以, 人们对以hcp结构为基的镁合金的三维微观结构以及演化信息的理解尚不深入, 特别是对产生这些多样性组织结构的原因及影响因素亟待进一步研究.

本文综述了本课题组在利用同步辐射X射线微观断层扫描技术和相场模拟对镁合金中α-Mg三维枝晶形貌和生长取向研究工作的进展^{[23,24,28-33]}, 通过研究确立了镁合金枝晶的生长模型并阐述了其演化规律, 基于实验获得的镁合金微观组织结构, 建立了完善的镁合金微观组织结构模拟的相场模型, 通过实验方法和相场数值模拟相结合的方法, 对铸造镁合金的三维组织形貌、枝晶特征、组织演化机理等进行了描述和预测, 以期完善枝晶理论并为控制凝固组织提供可靠的参考.

1 实验材料及方法

1.1 试样制备

研究对象以二元镁合金为主, 围绕镁合金中α-Mg初生相枝晶的三维枝晶形貌和生长取向信息开展研究, 在合金成分的选择方面主要以亚共晶合金为主. 在亚共晶合金中, 初生α-Mg作为先析出相, 在合金的凝固过程中最先形成, 构成了镁合金凝固微观结构的主要特征. 在镁合金母材试样的制备过程中, 选取商用的纯Mg, 纯Al, 纯Zn, 纯Sn以及Mg-20%Ca (质量分数, 下同)中间合金作为原始材料, 在传统的井式炉中进行熔炼, 分别制备了Mg-9%Al, Mg-Zn, Mg-9%Ca和Mg-15%Sn等二元合金.

在试样制备过程中, 从熔炼的母材合金中切取小块试样, 分别封装在带有螺纹密封的不锈钢管和石英管中, 将试样密封后置于可以精确控温的小型加热炉中, 加热到液相线以上20 ℃左右保温, 确保试样完全熔化, 然后以5 ℃/min左右的冷却速率在炉内冷却到液相线以下, 共晶线以上一确定温度, 然后, 快速放入冰水中进行淬火, 以保留一定温度条件下的枝晶凝固组织.

由于等轴凝固枝晶在生长过程中熔体周围的温度相对均匀, 降温速率较低, 枝晶的生长不会受到周围温度梯度差异的影响, 所以, 影响枝晶生长的主要因素取决于枝晶的本征特征, 即金属的晶体学本征结构和枝晶周围熔体的特性, 如熔体的表面张力及其各向异性等因素. 晶体学结构对枝晶的生长形貌和取向选择具有决定性作用, 如表1^[34]所示, 在立方结构(bcc或fcc)金属中, 主干枝晶倾向于沿着<001>方向进行生长, 而在hcp结构金属材料中, 枝晶通常以<11 $\begin{matrix} \overset{̅}{2} \end{matrix}$ 0>或者<10 $\begin{matrix} \overset{̅}{1} \end{matrix}$ 0>为择优生长方向^[34-36].

表1 不同金属材料枝晶生长晶体学择优取向^[34]

Table 1 Preferential growth orientations in metals with different crystal structures^[34]

Crystal structure	Preferred orientation	Example
fcc	<100>	Al, Cu, Ni, γ-Fe
bcc	<100>	δ-Fe, succinonitrile, NH₄Cl
bct	<110>	Sn
hcp	<10 $\begin{matrix} \overset{̅}{1} \end{matrix}$ 0>	H₂O, Zn
	<11 $\begin{matrix} \overset{̅}{2} \end{matrix}$ 0>	Mg

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通过淬火获得了不同温度条件下的初生α-Mg枝晶组织后, 选择淬火效果较好的试样, 用线切割加工成同步辐射实验规定的尺寸(直径1~2 mm)后, 进行X射线成像实验, 以获取α-Mg三维枝晶形貌. 图1是镁合金淬火前后的金相组织特征. 从图中可以明显地看到在普通铸态条件下镁合金组织细小, 从中难分辨出α-Mg枝晶组织, 淬火后的组织α-Mg枝晶明显地分散在基体中, 易于辨别和提取.

镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟*

RESEARCH PROGRESS ON 3D DENDRITE MORPHO-LOGY AND ORIENTATION SELECTION DURING THE SOLIDIFICATION OF Mg ALLOYS: 3D EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION AND PHASE FIELD MODELING

1 实验材料及方法

1.1 试样制备

1.2 X射线微观断层扫描技术

1.3 相场模型

2 实验结果

2.1 Mg-Al合金中 α-Mg三维枝晶形貌和枝晶分支结构

2.2 Mg-Ca合金中 α-Mg三维枝晶形貌和分支结构

2.3 Mg-Zn合金中 α-Mg三维枝晶形貌和分支结构研究

2.4 Mg-Sn合金中α-Mg三维枝晶形貌和枝晶分支结构

3. 镁合金枝晶生长模型和相场模拟

3.1 镁合金枝晶生长模型和相场模型各向异性函数

3.2 镁合金枝晶生长相场模拟

4 未来工作展望: 镁合金凝固过程微观结构演化三维原位表征研究

5 结论

镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟^*

2.1 Mg-Al合金中 $α$ -Mg三维枝晶形貌和枝晶分支结构

2.2 Mg-Ca合金中 $α$ -Mg三维枝晶形貌和分支结构

2.3 Mg-Zn合金中 $α$ -Mg三维枝晶形貌和分支结构研究