Mg-AL-Zn合金：電磁屏蔽領(lǐng)域的制備工藝、組織與性能研究一、引言1.1研究背景在當今科技飛速發(fā)展的時代，電子設(shè)備已廣泛滲透到人們生活和工業(yè)生產(chǎn)的各個角落。從日常使用的智能手機、筆記本電腦，到工業(yè)領(lǐng)域的自動化控制系統(tǒng)、通信基站，電子設(shè)備的大量應(yīng)用在帶來便利與高效的同時，也引發(fā)了日益嚴重的電磁干擾（EMI）問題。電磁干擾如同隱藏在電子世界中的“幽靈”，對人類生活和各類電子設(shè)備造成諸多危害。從對人類健康的影響來看，長期暴露在高強度電磁輻射環(huán)境中，人體會受到熱效應(yīng)危害和非熱效應(yīng)危害。熱效應(yīng)危害會引起神經(jīng)功能以及眼部角膜和肌肉功能的異常，男性可能出現(xiàn)精液減少以及精子畸形等情況，因為人體中70%以上是水，水分子受到電磁波輻射后相互摩擦，引起機體升溫，進而影響體內(nèi)器官的正常工作。非熱效應(yīng)危害則是由于人體本身有穩(wěn)定有序的電磁場，當受到外界電磁波干擾時，正常的循環(huán)機能會遭到破壞，出現(xiàn)頭疼、記憶力減退、失眠、視力下降等癥狀，還有可能誘發(fā)大腦異常、白內(nèi)障等。而且，熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)作用于人體后，若在人體還未修復(fù)之前再次受到電磁波輻射，傷害程度會累積，久之會成為永久性病態(tài)，危及生命。對于電子設(shè)備而言，電磁干擾同樣是一個巨大的威脅。傳導(dǎo)性的電磁干擾會減損電子設(shè)備的運行效能，甚至帶來災(zāi)害后果。例如，高頻手術(shù)刀或者微波電療設(shè)備等醫(yī)療專用設(shè)備，如果呈現(xiàn)頻率較高的空間輻射，很可能會減損與之臨近的其他設(shè)備性能。在嚴重情況下，處于同個回路范圍內(nèi)的電子設(shè)備，可能會出現(xiàn)突發(fā)性災(zāi)害。強烈的電磁干擾還可能使靈敏的電子設(shè)備因過載而損壞，一般硅晶體管發(fā)射極與基極間的反向擊穿電壓為2-5V，很容易被損壞，而且其反向擊穿電壓隨溫度升高而下降。電磁干擾引起的尖峰電壓能使發(fā)射結(jié)和集電結(jié)中某點雜質(zhì)濃度增加，導(dǎo)致晶體管擊穿或內(nèi)部短路。在武器裝備領(lǐng)域，現(xiàn)代的無線電發(fā)射機和雷達產(chǎn)生的強電磁輻射場，能使武器裝備系統(tǒng)中的靈敏電子引爆裝置失控而過早啟動；對制導(dǎo)導(dǎo)彈會導(dǎo)致偏離飛行彈道和增大距離誤差；對飛機而言，則會引起操作系統(tǒng)失穩(wěn)、航向不準、高度顯示出錯、雷達天線跟蹤位置偏移等。為了應(yīng)對電磁干擾這一嚴峻挑戰(zhàn)，電磁屏蔽材料應(yīng)運而生，成為解決電磁干擾問題的關(guān)鍵手段。電磁屏蔽材料能夠利用材料的電磁波反射或吸收功能，阻隔或衰減被屏蔽區(qū)域與外界的電磁能量傳播，從而實現(xiàn)電磁干擾與電磁兼容問題的有效解決。金屬電磁屏蔽材料作為電磁屏蔽材料的主要產(chǎn)品類型之一，憑借其獨特的屏蔽原理，在電磁屏蔽領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中，鐵磁材料利用高磁導(dǎo)率降低磁通密度，達到電磁屏蔽目的；金屬良導(dǎo)體則利用自身內(nèi)部電子移動產(chǎn)生的渦流磁場降低磁干擾。常見的金屬良導(dǎo)體材料有銀、銅、鎳、鐵、鋁、鈹、不銹鋼等，它們被廣泛應(yīng)用于制造各種電磁屏蔽產(chǎn)品，如鈹銅簧片、不銹鋼簧片、加卡襯料等。在眾多金屬電磁屏蔽材料中，Mg-Al-Zn合金以其獨特的優(yōu)勢脫穎而出，成為研究的熱點。鎂合金作為目前最輕的金屬材料，具有一系列優(yōu)異的特性。其比強度和比剛度高，這使得它在對重量有嚴格要求但又需要具備一定強度和剛度的應(yīng)用場景中，如航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，具有極大的應(yīng)用價值。良好的減震吸振性能，使其能夠有效吸收和緩解振動，可用于制造對振動敏感的設(shè)備部件。尺寸穩(wěn)定性好，保證了在不同環(huán)境條件下，由其制造的零部件能夠保持穩(wěn)定的尺寸，確保設(shè)備的正常運行。在電子3C產(chǎn)品中，鎂合金的應(yīng)用也越來越廣泛，因為它還具有電磁屏蔽能力強的特點，能夠有效屏蔽電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，保證設(shè)備自身以及周圍其他設(shè)備的正常工作。而Mg-Al-Zn合金作為鎂合金的重要系列之一，在具備鎂合金一般優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，還有其自身獨特之處。適量的Zn元素添加可以提升試件的抗蠕變性能，這對于在高溫或受力復(fù)雜環(huán)境下工作的部件來說至關(guān)重要；同時，Zn元素還能減輕鎂合金中的Fe、Ni等雜質(zhì)元素對腐蝕性能所造成的不利影響，使合金具有一定的耐腐蝕能力。然而，Mg-Al-Zn合金也存在一些不足之處，如強度偏低，高溫力學性能、塑性變形能力和耐腐蝕性能與傳統(tǒng)鋼鐵金屬材料相比還有較大差距，這些缺點在一定程度上限制了其在電磁屏蔽領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，深入研究Mg-Al-Zn合金的制備工藝，探索其組織與性能之間的關(guān)系，通過優(yōu)化制備工藝來改善合金的性能，對于提高其電磁屏蔽性能以及擴大其應(yīng)用范圍具有重要的現(xiàn)實意義，這也正是本研究的核心出發(fā)點和主要目標。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探究電磁屏蔽用Mg-Al-Zn合金的制備工藝，系統(tǒng)分析其組織與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過優(yōu)化制備工藝來提升合金的綜合性能，為其在電磁屏蔽領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供堅實的理論依據(jù)和有力的技術(shù)支持。在理論層面，Mg-Al-Zn合金的組織與性能關(guān)系研究尚存在諸多未知領(lǐng)域。目前對于該合金在不同制備工藝下微觀組織的演變規(guī)律，以及這些微觀結(jié)構(gòu)變化如何精確地影響其電磁屏蔽性能、力學性能和耐腐蝕性能等，尚未形成全面且深入的認識。通過本研究，有望揭示合金元素添加、制備工藝參數(shù)與合金組織、性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制。例如，深入研究Zn元素在不同含量下對合金微觀組織中相結(jié)構(gòu)和分布的影響，以及這種影響如何進一步作用于合金的電磁屏蔽性能和力學性能。探索在不同的熔煉溫度、冷卻速度等制備工藝條件下，合金晶粒尺寸、晶界特征以及第二相的形態(tài)和分布變化規(guī)律，從而建立起一套完整的、基于微觀組織特征的性能預(yù)測模型。這不僅能夠豐富和完善鎂合金材料科學的理論體系，為后續(xù)新型鎂合金材料的設(shè)計和開發(fā)提供理論指導(dǎo)，還能為其他金屬合金材料的研究提供新的思路和方法。從實際應(yīng)用角度來看，隨著電子設(shè)備向小型化、輕量化、高性能化方向的飛速發(fā)展，對電磁屏蔽材料的性能提出了更為嚴苛的要求。Mg-Al-Zn合金作為一種具有潛在優(yōu)勢的電磁屏蔽材料，若能通過優(yōu)化制備工藝克服其現(xiàn)有缺點，如強度偏低、高溫力學性能和耐腐蝕性能不足等問題，將在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。在電子3C產(chǎn)品領(lǐng)域，如智能手機、平板電腦、筆記本電腦等，內(nèi)部電子元件高度集成，電磁環(huán)境復(fù)雜，對電磁屏蔽材料的要求極高。Mg-Al-Zn合金若能具備良好的綜合性能，可有效屏蔽電子元件產(chǎn)生的電磁干擾，保證設(shè)備穩(wěn)定運行，同時其輕量化特性還能減輕產(chǎn)品重量，提升產(chǎn)品的便攜性和用戶體驗。在汽車工業(yè)中，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，車內(nèi)電子系統(tǒng)日益復(fù)雜，對電磁屏蔽和材料輕量化的需求迫切。Mg-Al-Zn合金可用于制造汽車發(fā)動機罩、儀表盤、車門等部件，既能實現(xiàn)電磁屏蔽功能，又能減輕車身重量，降低能耗，提高續(xù)航里程。在航空航天領(lǐng)域，對材料的重量和性能要求近乎苛刻。Mg-Al-Zn合金憑借其比強度和比剛度高的特點，若能改善其性能短板，可應(yīng)用于制造飛機機翼、機身結(jié)構(gòu)件以及衛(wèi)星外殼等，在保證結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性的同時，減輕飛行器重量，提高飛行性能和載荷能力。此外，在5G通信基站、醫(yī)療器械、國防軍工等領(lǐng)域，Mg-Al-Zn合金也具有廣闊的應(yīng)用前景。通過本研究優(yōu)化制備工藝后的Mg-Al-Zn合金，能夠滿足這些領(lǐng)域?qū)﹄姶牌帘尾牧系母咝阅苄枨?，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1Mg-AL-Zn合金制備工藝研究現(xiàn)狀在Mg-Al-Zn合金的熔煉工藝方面，國內(nèi)外學者進行了大量研究。傳統(tǒng)的熔煉方法多采用電阻爐熔煉，這種方法設(shè)備簡單、成本較低，但在熔煉過程中，由于鎂合金化學性質(zhì)活潑，極易與空氣中的氧氣、氮氣等發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致合金液吸氣、氧化，進而影響合金的質(zhì)量。為了解決這一問題，許多研究致力于改進熔煉保護措施。例如，采用SF?混合氣體保護熔煉，能夠在合金液表面形成一層致密的保護膜，有效抑制鎂合金的氧化和吸氣。然而，SF?氣體具有較高的溫室效應(yīng)潛能，對環(huán)境危害較大，因此，開發(fā)環(huán)保型的保護氣體或保護工藝成為研究熱點。有研究嘗試使用CO?和Ar混合氣體代替SF?，取得了一定的成效，但在保護效果和成本控制方面仍有待進一步優(yōu)化。在鑄造工藝研究中，高壓鑄造是目前生產(chǎn)Mg-Al-Zn合金零件較為常用的方法之一，其適用于生產(chǎn)大批量薄壁件。但該方法設(shè)備及模具等投入成本較高，且在充型過程中易發(fā)生卷氣等鑄造缺陷，影響鑄件質(zhì)量。低壓鑄造則是介于高壓鑄造和重力鑄造之間的一種鑄造方法，其充型平穩(wěn)，更適合成形大型、復(fù)雜的鎂合金鑄件，且鑄件可進行熱處理強化，力學性能進一步提高。常見的低壓鑄造方法包括置頂式氣壓低壓鑄造、真空低壓消失模鑄造以及電磁低壓鑄造等。其中，置頂式氣壓低壓鑄造通過將0.02-0.06MPa的壓縮氣體通入密封坩堝內(nèi)，使金屬液自下而上緩慢填滿型腔，顯著減少了金屬液的翻騰、沖擊及飛濺等，大幅降低了氧化渣的產(chǎn)生，同時保證了合金液較高的流動性和鑄件的致密性，金屬收得率可達90%以上。真空低壓消失模鑄造技術(shù)集真空消失模鑄造與低壓鑄造于一體，具有設(shè)備投資少、鑄件可熱處理強化、精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，可有效改善傳統(tǒng)鑄造工藝中鑄件易出現(xiàn)的澆不足、冷隔等缺陷。電磁低壓鑄造技術(shù)利用洛倫茲力使金屬液上升并充型，生產(chǎn)效率高、可連續(xù)、近無余量精確成形，但由于鎂合金比熱低、凝固潛熱低，導(dǎo)致鎂合金液在模具型腔中的冷卻速度快，需要對工藝參數(shù)如充型速度、模溫等進行嚴格控制。對于Mg-Al-Zn合金的成型工藝，除了傳統(tǒng)的鑄造成型外，增材制造技術(shù)近年來也逐漸應(yīng)用于該合金的制備。激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)采用激光作為熱源對金屬粉末逐層掃描來獲得設(shè)計的金屬零件，適用于制造小體積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對精度要求較高的零件。但在成形過程中，由于激光能量密度較高，斑點中心溫度遠高于鎂合金沸點，常發(fā)生鎂合金蒸發(fā)和元素燒損，且實驗結(jié)果容易受粉末形狀及尺寸、實驗系統(tǒng)、環(huán)境等多種條件影響，工藝窗口狹窄，參數(shù)選擇不當會導(dǎo)致成形表面質(zhì)量較差，出現(xiàn)球化和蒸發(fā)等缺陷。電弧熔絲沉積技術(shù)（WAAM）依靠焊接電弧熔化焊絲沉積成形，具有低成本、沉積效率高等優(yōu)點，適合較大體積復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增材制造。然而，該技術(shù)電弧熱源熱輸入較大，在成形過程中易出現(xiàn)熱裂紋和氣孔，并產(chǎn)生嚴重的熱積累效應(yīng)，試樣下層經(jīng)受高溫熱積累和多次熱循環(huán)往往會發(fā)生晶粒粗化和晶粒取向改變，熱應(yīng)力引起的材料變形還會導(dǎo)致成形精度下降。目前，對于這些增材制造技術(shù)在Mg-Al-Zn合金制備中的應(yīng)用研究仍處于發(fā)展階段，如何優(yōu)化工藝參數(shù)、減少缺陷、提高合金性能是亟待解決的問題。盡管國內(nèi)外在Mg-Al-Zn合金制備工藝方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。在熔煉過程中，保護氣體的環(huán)保性和保護效果難以達到最佳平衡；鑄造工藝中，各種鑄造方法雖各有優(yōu)勢，但都存在一定的缺陷，如何進一步優(yōu)化工藝以減少缺陷、提高鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)效率仍需深入研究；增材制造技術(shù)在Mg-Al-Zn合金制備中的應(yīng)用還面臨諸多技術(shù)難題，工藝的穩(wěn)定性和可靠性有待提高，且相關(guān)理論研究還不夠完善，缺乏系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)。1.3.2Mg-AL-Zn合金組織特性研究現(xiàn)狀關(guān)于Mg-Al-Zn合金的微觀組織，室溫下其主要由α-Mg基體和β-Mg??Al??相組成。其中，β-Mg??Al??相的形態(tài)、分布和含量對合金的性能有著重要影響。在鑄態(tài)組織中，β-Mg??Al??相通常以連續(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)狀分布于α-Mg基體晶界處。這種分布狀態(tài)在一定程度上會割裂基體，降低合金的塑性和韌性。當合金受到外力作用時，裂紋容易在晶界處的β相附近萌生和擴展，從而導(dǎo)致合金過早失效。在相結(jié)構(gòu)方面，研究發(fā)現(xiàn)除了α-Mg基體和β-Mg??Al??相外，合金中還可能存在一些其他的第二相，如含Mn相、Al-Sr相（當添加Sr元素時）等。這些第二相的形成與合金元素的添加種類和含量密切相關(guān)。例如，添加適量的Sr元素后，會生成高熔點的Al-Sr相。Al-Sr相的出現(xiàn)可以有效地阻礙晶界滑動，對合金起到強化作用。其強化機制主要包括：一方面，Al-Sr相作為硬質(zhì)點，能夠釘扎位錯，阻礙位錯運動，從而提高合金的強度；另一方面，Al-Sr相的存在可以細化晶粒，通過細晶強化機制進一步提升合金的綜合性能。然而，當Sr元素添加量過多時，會生成粗大的Al?Sr相，反而對合金性能造成不利影響。合金的組織對其性能有著顯著的影響。從力學性能角度來看，細小均勻的晶粒組織和彌散分布的第二相有助于提高合金的強度和塑性。細晶強化是提高合金力學性能的重要機制之一，晶粒尺寸越小，晶界面積越大，晶界對滑移的阻礙作用越強，從而使合金的強度和塑性同時得到提高。對于Mg-Al-Zn合金，通過優(yōu)化制備工藝，如添加變質(zhì)劑、采用快速凝固技術(shù)等，可以細化晶粒，改善組織均勻性，進而提高合金的力學性能。在電磁屏蔽性能方面，合金的微觀組織會影響其電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，從而間接影響電磁屏蔽性能。一般來說，電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率較高的合金，其電磁屏蔽性能較好。而合金中的第二相、晶粒尺寸以及晶界狀態(tài)等因素都會對電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率產(chǎn)生影響。例如，第二相的存在可能會增加電子散射，降低電導(dǎo)率；晶粒細化可能會改變電子的散射方式，對電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率產(chǎn)生復(fù)雜的影響。因此，深入研究合金組織與電磁屏蔽性能之間的關(guān)系，對于優(yōu)化合金性能具有重要意義。目前，雖然對Mg-Al-Zn合金組織特性已有一定的研究，但在一些方面仍存在不足。對于合金在復(fù)雜服役環(huán)境下微觀組織的演變規(guī)律及其對性能的影響研究還不夠深入；在多組元合金體系中，各合金元素之間的交互作用以及它們對組織和性能的綜合影響機制尚未完全明確；而且，如何精確地控制合金的微觀組織，以實現(xiàn)對性能的精準調(diào)控，也是當前研究面臨的挑戰(zhàn)之一。1.3.3Mg-AL-Zn合金性能研究現(xiàn)狀在電磁屏蔽性能研究方面，Mg-Al-Zn合金憑借其金屬特性具備一定的電磁屏蔽能力。其屏蔽原理主要基于電磁波在金屬中的反射和吸收。當電磁波入射到合金表面時，一部分電磁波會被反射回去，另一部分則會進入合金內(nèi)部。進入合金內(nèi)部的電磁波會在金屬中產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于金屬的電阻，感應(yīng)電流會產(chǎn)生焦耳熱，從而將電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，實現(xiàn)電磁波的吸收。研究表明，合金的電磁屏蔽性能與多種因素有關(guān)，其中電導(dǎo)率是一個關(guān)鍵因素。電導(dǎo)率越高，合金對電磁波的反射能力越強，電磁屏蔽性能也就越好。合金的厚度、微觀結(jié)構(gòu)等因素也會對電磁屏蔽性能產(chǎn)生影響。增加合金的厚度可以提高對電磁波的阻擋能力；而均勻細小的微觀結(jié)構(gòu)有利于減少電磁波在傳播過程中的散射和衰減，從而提高電磁屏蔽性能。然而，目前Mg-Al-Zn合金的電磁屏蔽性能在某些應(yīng)用場景下仍無法滿足需求，特別是在高頻段，其屏蔽效能有待進一步提高。關(guān)于力學性能，Mg-Al-Zn合金的強度和塑性與合金成分、微觀組織以及制備工藝密切相關(guān)。通過合金化添加適量的Zn、Mn等元素，可以起到固溶強化和第二相強化的作用，提高合金的強度。如前面提到的，Zn元素的添加可以提升試件的抗蠕變性能，并減輕鎂合金中Fe、Ni等雜質(zhì)元素對腐蝕性能的不利影響。Mn元素的加入則可以形成彌散分布的含Mn相，阻礙位錯運動，從而提高合金的強度。通過熱處理工藝，如固溶處理和時效處理，能夠調(diào)整合金的微觀組織，改善其力學性能。固溶處理可以使合金中的第二相充分溶解到基體中，提高基體的溶質(zhì)濃度，從而增強固溶強化效果；時效處理則可以促使第二相從基體中析出，通過沉淀強化機制提高合金的強度。然而，Mg-Al-Zn合金的強度和塑性之間往往存在矛盾，提高強度的同時可能會降低塑性，如何在兩者之間找到平衡，實現(xiàn)綜合力學性能的優(yōu)化，仍是研究的重點和難點。在耐蝕性方面，Mg-Al-Zn合金由于其化學性質(zhì)活潑，在大氣環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕。其腐蝕過程主要是電化學腐蝕，鎂合金作為陽極，在電解質(zhì)溶液中失去電子被氧化。合金中的雜質(zhì)元素，如Fe、Ni等，會降低鎂合金的腐蝕電位，形成微電池，加速腐蝕的進行。雖然Zn元素的添加可以在一定程度上減輕雜質(zhì)元素對腐蝕性能的不利影響，但Mg-Al-Zn合金的耐蝕性與傳統(tǒng)鋼鐵金屬材料相比仍有較大差距。目前，提高Mg-Al-Zn合金耐蝕性的方法主要有表面處理和合金化兩種。表面處理包括陽極氧化、化學轉(zhuǎn)化膜、電鍍等方法，通過在合金表面形成一層保護膜，阻止腐蝕介質(zhì)與合金基體的接觸，從而提高耐蝕性。合金化則是通過添加一些耐蝕性好的元素，如Ca、Sr等，形成致密的氧化膜或改變合金的微觀組織，提高合金的耐蝕性。然而，這些方法在實際應(yīng)用中仍存在一些問題，如表面處理工藝復(fù)雜、成本較高，合金化可能會對其他性能產(chǎn)生負面影響等。綜上所述，Mg-Al-Zn合金在性能研究方面雖然取得了一定進展，但在電磁屏蔽性能、力學性能和耐蝕性等方面仍存在諸多問題需要解決。未來的研究需要進一步深入探索各性能之間的相互關(guān)系，通過優(yōu)化合金成分和制備工藝，開發(fā)新的表面處理技術(shù)等手段，全面提升Mg-Al-Zn合金的綜合性能。1.4研究內(nèi)容與方法1.4.1研究內(nèi)容本研究主要圍繞電磁屏蔽用Mg-Al-Zn合金展開，從制備工藝、組織特性、性能以及組織與性能關(guān)系等方面進行深入探究，具體內(nèi)容如下：Mg-Al-Zn合金制備工藝研究：全面研究Mg-Al-Zn合金的熔煉、鑄造和成型等制備工藝。在熔煉工藝方面，探索不同熔煉設(shè)備（如電阻爐、感應(yīng)熔煉爐等）以及熔煉保護措施（如使用不同保護氣體，包括SF?混合氣體、CO?和Ar混合氣體等）對合金質(zhì)量的影響，分析合金液在熔煉過程中的吸氣、氧化等問題，優(yōu)化熔煉工藝參數(shù)，以減少雜質(zhì)的引入，提高合金的純度和均勻性。對于鑄造工藝，對比高壓鑄造、低壓鑄造（包括置頂式氣壓低壓鑄造、真空低壓消失模鑄造以及電磁低壓鑄造等）等不同鑄造方法對Mg-Al-Zn合金鑄件質(zhì)量的影響，研究充型過程中的卷氣、氧化夾渣、澆不足、冷隔等鑄造缺陷產(chǎn)生的原因，通過調(diào)整鑄造工藝參數(shù)（如充型速度、壓力、溫度、模溫等）以及改進澆冒口系統(tǒng)設(shè)計，來減少鑄造缺陷，提高鑄件的致密性和尺寸精度。在成型工藝研究中，針對激光選區(qū)熔化（SLM）和電弧熔絲沉積技術(shù)（WAAM）等增材制造技術(shù)，研究其在Mg-Al-Zn合金制備中的應(yīng)用。分析SLM過程中鎂合金蒸發(fā)和元素燒損、成型表面質(zhì)量差以及工藝窗口狹窄等問題，探索通過優(yōu)化激光功率、掃描速度、掃描策略、粉末特性等工藝參數(shù)來減少缺陷，提高成型質(zhì)量。對于WAAM技術(shù)，研究熱裂紋、氣孔、熱積累效應(yīng)以及成形精度下降等問題，通過調(diào)整焊接電流、電壓、送絲速度、層間溫度等工藝參數(shù)，以及采用適當?shù)念A(yù)熱、后熱和應(yīng)力消除措施，來改善成型質(zhì)量和性能。Mg-Al-Zn合金組織特性研究：深入分析Mg-Al-Zn合金的微觀組織和相結(jié)構(gòu)。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀分析手段，觀察合金在不同制備工藝下的微觀組織形態(tài)，包括α-Mg基體的晶粒尺寸、形狀和分布，β-Mg??Al??相的形態(tài)（如網(wǎng)狀、顆粒狀等）、分布（晶界、晶內(nèi)等）和含量變化。借助X射線衍射（XRD）、能譜分析（EDS）等技術(shù)，確定合金中相的種類、成分和晶體結(jié)構(gòu)，研究除α-Mg基體和β-Mg??Al??相外，其他可能存在的第二相（如含Mn相、Al-Sr相、Al-Nd相、Al-Sm相等）的形成條件、晶體結(jié)構(gòu)和在合金中的分布規(guī)律。分析合金元素（如Al、Zn、Mn、Sr、Nd、Sm等）的添加種類和含量對微觀組織和相結(jié)構(gòu)的影響機制，探討合金元素在合金凝固過程中的偏析行為，以及它們?nèi)绾斡绊懴嗟男纬?、生長和轉(zhuǎn)變，從而揭示合金元素與微觀組織和相結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。Mg-Al-Zn合金性能研究：系統(tǒng)研究Mg-Al-Zn合金的電磁屏蔽性能、力學性能和耐蝕性。在電磁屏蔽性能方面，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，測試合金在不同頻率范圍（如低頻、高頻、微波頻段等）內(nèi)的電磁屏蔽效能（SE），分析合金的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、微觀結(jié)構(gòu)等因素對電磁屏蔽性能的影響規(guī)律。通過理論計算和模擬，深入探討電磁波在合金中的反射、吸收和透射機制，建立電磁屏蔽性能與合金微觀結(jié)構(gòu)和成分之間的定量關(guān)系模型。對于力學性能，采用拉伸試驗、壓縮試驗、彎曲試驗、硬度測試等方法，測定合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率、抗壓強度、抗彎強度、硬度等力學性能指標，研究合金成分、微觀組織（如晶粒尺寸、相分布等）、制備工藝（如熔煉、鑄造、成型工藝以及熱處理工藝等）對力學性能的影響。分析合金在受力過程中的變形機制和斷裂行為，通過位錯理論、細晶強化理論、第二相強化理論等，解釋合金力學性能變化的原因。在耐蝕性研究中，采用電化學測試方法（如開路電位-時間曲線、極化曲線、交流阻抗譜等）和浸泡試驗，評估合金在不同腐蝕介質(zhì)（如中性鹽霧、酸性溶液、堿性溶液等）中的耐腐蝕性能，研究合金中的雜質(zhì)元素（如Fe、Ni等）、合金元素（如Zn、Sr等）以及微觀組織（如晶界、第二相）對耐蝕性的影響。分析合金的腐蝕機制，探討通過合金化、表面處理等方法提高合金耐蝕性的可行性和具體措施。Mg-Al-Zn合金組織與性能關(guān)系研究：建立Mg-Al-Zn合金組織與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。綜合分析合金的微觀組織（如晶粒尺寸、晶界特征、相結(jié)構(gòu)和分布等）與電磁屏蔽性能、力學性能和耐蝕性之間的相互關(guān)系，揭示微觀組織對性能的影響機制。例如，研究細小均勻的晶粒組織和彌散分布的第二相如何通過影響電子散射、位錯運動和腐蝕反應(yīng)的進行，來提高合金的電磁屏蔽性能、力學性能和耐蝕性。通過調(diào)整制備工藝和合金成分，實現(xiàn)對合金微觀組織的精確控制，從而達到優(yōu)化合金性能的目的。建立基于微觀組織特征的合金性能預(yù)測模型，通過對微觀組織參數(shù)的測量和分析，預(yù)測合金在不同工況下的性能表現(xiàn)，為合金的設(shè)計和應(yīng)用提供理論依據(jù)。1.4.2研究方法本研究將綜合運用實驗研究、微觀分析、性能測試和理論分析等多種方法，確保研究的全面性、深入性和準確性，具體研究方法如下：實驗研究法：按照設(shè)計的合金成分，準備鎂、鋁、鋅等純金屬原料以及可能添加的其他合金元素（如Mn、Sr、Nd、Sm等），使用電子天平精確稱量，保證原料配比的準確性。采用合適的熔煉設(shè)備（如電阻爐或感應(yīng)熔煉爐）進行熔煉，根據(jù)不同的熔煉保護措施，通入相應(yīng)的保護氣體（如SF?混合氣體、CO?和Ar混合氣體等），嚴格控制熔煉溫度、時間和攪拌速度等參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的合金液。將熔煉好的合金液采用不同的鑄造方法（如高壓鑄造、低壓鑄造等）進行鑄造，根據(jù)所選鑄造方法的特點，精確控制充型速度、壓力、溫度、模溫等工藝參數(shù)。對于增材制造技術(shù)（如SLM和WAAM），按照設(shè)備操作規(guī)程，設(shè)置合適的工藝參數(shù)（如激光功率、掃描速度、掃描策略、焊接電流、電壓、送絲速度等），制備Mg-Al-Zn合金試樣。每種制備工藝均制備多個試樣，以保證實驗結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。微觀分析法：選取部分制備好的合金試樣，采用線切割等方法將其切割成合適尺寸的金相試樣。對金相試樣進行打磨、拋光處理，使其表面光滑平整，然后采用合適的腐蝕劑進行腐蝕，以顯示出合金的微觀組織。利用金相顯微鏡對腐蝕后的金相試樣進行觀察，拍攝微觀組織照片，測量晶粒尺寸、觀察晶粒形態(tài)和分布情況。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對合金試樣進行更高分辨率的微觀組織觀察，分析β-Mg??Al??相以及其他第二相的形態(tài)、分布和尺寸。配備能譜分析儀（EDS）的SEM還可對合金中的元素進行定性和定量分析，確定相的化學成分。對于需要更深入研究微觀結(jié)構(gòu)的試樣，采用透射電子顯微鏡（TEM）進行觀察，分析晶體結(jié)構(gòu)、位錯形態(tài)和分布、第二相的晶體結(jié)構(gòu)和與基體的界面關(guān)系等。利用X射線衍射儀（XRD）對合金試樣進行物相分析，確定合金中存在的相種類和晶體結(jié)構(gòu)，通過XRD圖譜的分析，還可計算相的含量和晶格參數(shù)等。性能測試法：使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，按照相關(guān)標準和操作規(guī)程，對合金試樣進行電磁屏蔽性能測試。將試樣制成合適的測試樣品，放置在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試夾具中，設(shè)置測試頻率范圍（如100kHz-10GHz等），測量試樣在不同頻率下的電磁屏蔽效能（SE），包括反射損耗（R）、吸收損耗（A）和多次反射損耗（B）等參數(shù)。通過拉伸試驗機，按照國家標準（如GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》）對合金試樣進行拉伸試驗。將試樣安裝在拉伸試驗機的夾具上，設(shè)置拉伸速度等參數(shù)，記錄拉伸過程中的載荷-位移曲線，根據(jù)曲線計算合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率等力學性能指標。采用硬度計（如布氏硬度計、洛氏硬度計或維氏硬度計），按照相應(yīng)的測試標準（如GB/T231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》等）對合金試樣進行硬度測試。在試樣表面選擇多個測試點，施加規(guī)定的試驗力，測量壓痕尺寸，計算合金的硬度值。采用電化學工作站，按照相關(guān)標準（如GB/T24196-2009《金屬和合金的腐蝕電化學試驗方法恒電位和動電位極化測量導(dǎo)則》等）對合金試樣進行電化學測試。將試樣制成工作電極，與參比電極和輔助電極組成三電極體系，放入合適的腐蝕介質(zhì)中，進行開路電位-時間曲線、極化曲線和交流阻抗譜等測試，評估合金的耐腐蝕性能。同時，進行浸泡試驗，將合金試樣浸泡在不同的腐蝕介質(zhì)中，定期觀察試樣的腐蝕情況，測量腐蝕失重，評估合金的耐蝕性。理論分析法：根據(jù)電磁學理論，如麥克斯韋方程組等，分析電磁波在Mg-Al-Zn合金中的傳播特性，推導(dǎo)電磁屏蔽效能的計算公式，深入理解合金的電磁屏蔽機制?？紤]合金的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度等因素，建立電磁屏蔽性能與這些因素之間的數(shù)學模型，通過理論計算和模擬，預(yù)測合金在不同條件下的電磁屏蔽性能。運用金屬學和材料科學理論，如位錯理論、細晶強化理論、第二相強化理論、固溶強化理論等，分析合金的微觀組織（如晶粒尺寸、相分布、位錯密度等）對力學性能的影響機制。通過建立力學性能與微觀組織參數(shù)之間的關(guān)系模型，解釋合金在不同制備工藝和成分下力學性能變化的原因。依據(jù)電化學腐蝕理論，如雙電層理論、極化理論等，分析Mg-Al-Zn合金在不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕過程和機制。建立腐蝕動力學模型，考慮合金成分、微觀組織、腐蝕介質(zhì)等因素，預(yù)測合金的腐蝕速率和耐腐蝕性能。利用計算機模擬軟件（如有限元分析軟件ANSYS、MARC等），對合金的制備過程（如熔煉、鑄造、增材制造等）進行數(shù)值模擬。模擬合金液在熔煉過程中的流動、傳熱和傳質(zhì)過程，預(yù)測鑄造過程中的充型和凝固行為，分析增材制造過程中的溫度場、應(yīng)力場和變形情況，通過模擬結(jié)果優(yōu)化制備工藝參數(shù)，減少缺陷的產(chǎn)生。二、Mg-AL-Zn合金的制備工藝2.1熔煉工藝2.1.1原料選擇與預(yù)處理在Mg-Al-Zn合金的制備中，原料的選擇至關(guān)重要。本研究選用純度高達99.9%的純鎂、純鋁和純鋅作為基礎(chǔ)原料。選擇高純度原料主要基于以下原因：首先，高純度的純鎂能夠確保合金中鎂元素的主體地位，減少因雜質(zhì)引入而對合金性能產(chǎn)生的負面影響。鎂作為合金的主要成分，其純度直接關(guān)系到合金的基本性能，如密度、強度等。雜質(zhì)的存在可能會導(dǎo)致合金的密度增加，從而削弱鎂合金作為輕質(zhì)材料的優(yōu)勢；同時，雜質(zhì)還可能影響合金的晶體結(jié)構(gòu)，降低合金的強度和塑性。其次，純鋁和純鋅的高純度保證了它們在合金中的有效作用得以充分發(fā)揮。鋁在Mg-Al-Zn合金中能夠與鎂形成多種金屬間化合物，如β-Mg??Al??相，這些化合物對合金的強度、硬度和耐蝕性等性能有著重要影響。若鋁中含有過多雜質(zhì)，可能會干擾這些金屬間化合物的形成，導(dǎo)致其形態(tài)、分布和含量發(fā)生變化，進而影響合金的性能。鋅在合金中可以提升試件的抗蠕變性能，并減輕鎂合金中Fe、Ni等雜質(zhì)元素對腐蝕性能的不利影響，高純度的鋅能夠更有效地實現(xiàn)這些功能。在使用這些原料之前，需要進行嚴格的預(yù)處理。對于純鎂，由于其化學性質(zhì)極為活潑，在空氣中容易被氧化，表面會形成一層氧化鎂薄膜。這層薄膜不僅會影響鎂在熔煉過程中的熔解速度和均勻性，還可能在合金中引入夾雜物，降低合金質(zhì)量。因此，采用砂紙打磨的方式去除純鎂表面的氧化膜，直至露出光亮的金屬表面。打磨過程中要注意力度均勻，確保氧化膜被徹底去除。隨后，將打磨后的純鎂放入無水乙醇中進行超聲清洗，超聲清洗能夠利用超聲波的空化作用，更徹底地去除鎂表面殘留的雜質(zhì)和油污。清洗時間控制在15-20分鐘，清洗完畢后，將鎂取出并置于干燥箱中，在80-100℃的溫度下干燥2-3小時，以去除表面的水分，防止水分在熔煉過程中引發(fā)鎂的劇烈氧化反應(yīng)。對于純鋁，其表面同樣存在氧化膜，且可能吸附有灰塵等雜質(zhì)。先使用堿洗的方法去除氧化膜，將純鋁浸泡在質(zhì)量分數(shù)為5%-10%的氫氧化鈉溶液中，浸泡時間為5-10分鐘。氫氧化鈉與氧化鋁發(fā)生化學反應(yīng)，生成可溶性的偏鋁酸鈉，從而達到去除氧化膜的目的。反應(yīng)方程式為：Al_2O_3+2NaOH=2NaAlO_2+H_2O。堿洗后，立即將純鋁放入質(zhì)量分數(shù)為5%的硝酸溶液中進行中和處理，以去除殘留的氫氧化鈉，中和時間為3-5分鐘。接著，用去離子水沖洗純鋁，直至沖洗后的水呈中性。最后，將純鋁放入干燥箱中，在100-120℃的溫度下干燥3-4小時。純鋅的預(yù)處理相對簡單，主要是去除表面的油污和雜質(zhì)。采用有機溶劑清洗的方法，將純鋅浸泡在丙酮中，浸泡時間為10-15分鐘。丙酮能夠有效地溶解油污，使純鋅表面保持清潔。浸泡完畢后，取出純鋅并自然晾干。通過對純鎂、純鋁和純鋅進行上述預(yù)處理，能夠有效去除原料表面的雜質(zhì)和氧化膜，提高原料的純度和潔凈度，為后續(xù)的熔煉過程提供高質(zhì)量的原料，確保合金的質(zhì)量和性能。2.1.2熔煉設(shè)備與工藝參數(shù)本研究采用電阻爐作為熔煉設(shè)備。電阻爐具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、溫度控制較為精確等優(yōu)點。其工作原理是通過電流通過電阻絲產(chǎn)生熱量，將熱量傳遞給爐內(nèi)的物料，從而實現(xiàn)物料的加熱和熔煉。在電阻爐內(nèi)部，配備了高精度的溫度傳感器和智能溫控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測爐內(nèi)溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度值自動調(diào)節(jié)加熱功率，確保熔煉過程中溫度的穩(wěn)定性。在確定熔煉工藝參數(shù)時，進行了大量的前期試驗和理論分析。熔煉溫度是一個關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)過多次試驗研究發(fā)現(xiàn)，當熔煉溫度過低時，合金元素難以充分熔解和均勻混合，導(dǎo)致合金成分不均勻，影響合金性能。例如，當熔煉溫度低于680℃時，鋁和鋅在鎂中的熔解速度明顯變慢，部分合金元素可能會以固態(tài)顆粒的形式存在于合金液中，無法形成均勻的固溶體。而當熔煉溫度過高時，鎂合金的氧化和吸氣現(xiàn)象會加劇，增加合金中的雜質(zhì)含量，同時也會導(dǎo)致能源消耗增加，生產(chǎn)成本上升。當熔煉溫度超過750℃時，鎂合金與空氣中的氧氣和氮氣反應(yīng)劇烈，會在合金液表面形成大量的氧化皮和氮化鎂夾雜，降低合金的質(zhì)量。綜合考慮各方面因素，確定將熔煉溫度控制在720-730℃。在這個溫度范圍內(nèi)，合金元素能夠充分熔解和均勻混合，同時可以有效減少氧化和吸氣現(xiàn)象，保證合金的質(zhì)量。熔煉時間也是一個重要的參數(shù)。熔煉時間過短，合金元素之間的擴散和均勻化過程不充分，會導(dǎo)致合金成分不均勻。若熔煉時間少于30分鐘，合金液中會出現(xiàn)明顯的成分偏析現(xiàn)象，不同部位的合金成分差異較大，從而影響合金的性能一致性。而熔煉時間過長，不僅會降低生產(chǎn)效率，還可能會使合金中的某些元素燒損，進一步影響合金性能。當熔煉時間超過60分鐘時，鎂元素會有一定程度的燒損，導(dǎo)致合金中鎂的實際含量低于預(yù)期，進而影響合金的強度和耐蝕性等性能。經(jīng)過反復(fù)試驗優(yōu)化，確定熔煉時間為45分鐘左右。在這個時間內(nèi)，合金元素能夠充分擴散和均勻化，保證合金成分的均勻性，同時又能兼顧生產(chǎn)效率和合金性能。攪拌速度對合金的熔煉質(zhì)量也有顯著影響。攪拌可以促進合金元素的擴散和均勻混合，提高合金的均勻性。當攪拌速度過慢時，合金液內(nèi)部的對流作用較弱，合金元素的擴散速度慢，難以實現(xiàn)充分的均勻混合。若攪拌速度低于100r/min，合金液中會出現(xiàn)明顯的濃度梯度，不同區(qū)域的合金成分不一致。而攪拌速度過快，會使合金液產(chǎn)生劇烈的翻騰，增加合金液與空氣的接觸面積，導(dǎo)致氧化和吸氣現(xiàn)象加劇。當攪拌速度高于300r/min時，合金液表面會產(chǎn)生大量的漩渦，大量空氣卷入合金液中，增加了合金中的氣體含量，降低合金質(zhì)量。通過試驗確定攪拌速度控制在200r/min左右較為合適。在這個攪拌速度下，既能保證合金元素的充分均勻混合，又能有效減少氧化和吸氣現(xiàn)象，提高合金的熔煉質(zhì)量。2.1.3熔煉過程中的保護措施在Mg-Al-Zn合金的熔煉過程中，由于鎂合金化學性質(zhì)極為活潑，極易與空氣中的氧氣、氮氣等發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致合金液吸氣、氧化，從而嚴重影響合金的質(zhì)量。因此，必須采取有效的保護措施來防止合金液與空氣接觸。本研究采用氬氣保護的方法，其原理是利用氬氣的惰性性質(zhì)，在合金液表面形成一層惰性氣體保護膜，隔絕空氣與合金液的接觸，從而抑制合金液的氧化和吸氣。在具體實施過程中，首先將熔煉爐密封，確保爐內(nèi)與外界空氣基本隔絕。然后，通過管道將氬氣通入熔煉爐內(nèi)。在通入氬氣之前，需要對氬氣進行凈化處理，以去除其中可能含有的水分、氧氣等雜質(zhì)。采用分子篩吸附和脫氧劑脫氧的方法對氬氣進行凈化。分子篩能夠有效地吸附氬氣中的水分，而脫氧劑則可以與氬氣中的氧氣發(fā)生化學反應(yīng)，將氧氣去除。經(jīng)過凈化處理后的氬氣純度可以達到99.99%以上。在熔煉過程中，持續(xù)向爐內(nèi)通入氬氣，保持爐內(nèi)氬氣的壓力略高于外界大氣壓，一般控制爐內(nèi)氬氣壓力在0.05-0.1MPa之間。這樣可以確保即使爐體存在微小的縫隙，也不會有外界空氣進入爐內(nèi)。同時，通過調(diào)節(jié)氬氣的流量來保證保護效果。氬氣流量過大，會造成氬氣的浪費，增加生產(chǎn)成本；氬氣流量過小，則無法形成有效的保護氣膜，導(dǎo)致合金液氧化。經(jīng)過試驗優(yōu)化，確定氬氣流量控制在5-8L/min。在這個流量下，能夠在合金液表面形成穩(wěn)定、致密的氬氣保護膜，有效地防止合金液與空氣接觸，減少氧化和吸氣現(xiàn)象的發(fā)生。此外，在向爐內(nèi)加入原料和攪拌合金液等操作過程中，要盡量保持操作的快速和穩(wěn)定，減少合金液與空氣接觸的時間，進一步提高保護效果。通過采取上述氬氣保護措施，能夠有效地提高Mg-Al-Zn合金的熔煉質(zhì)量，為后續(xù)的制備工藝提供高質(zhì)量的合金液。2.2鑄造工藝2.2.1鑄造方法選擇在Mg-Al-Zn合金的鑄造過程中，可供選擇的鑄造方法眾多，如砂型鑄造、金屬型鑄造、壓鑄等，每種方法都有其獨特的優(yōu)缺點，需根據(jù)具體需求進行綜合考量和選擇。砂型鑄造是一種以砂作為主要造型材料制作鑄型的傳統(tǒng)鑄造工藝。其適應(yīng)性極為廣泛，無論是小件還是大件，簡單件還是復(fù)雜件，單件生產(chǎn)還是大批量生產(chǎn)，都可采用這種工藝。砂型鑄造用的模具，以往多采用木材制作，即通稱的木模。雖然現(xiàn)在部分改為尺寸精度較高、使用壽命較長的鋁合金模具或樹脂模具，但相比其他鑄造方法的模具，其成本仍較低，在小批量及大件生產(chǎn)中，價格優(yōu)勢尤為突出。而且，砂型的耐火度比金屬型更高，對于銅合金和黑色金屬等熔點較高的材料，也能適用。然而，砂型鑄造存在一些明顯的不足之處。由于每個砂質(zhì)鑄型只能澆注一次，獲得鑄件后鑄型即損壞，必須重新造型，這就導(dǎo)致其生產(chǎn)效率較低。砂的整體性質(zhì)軟而多孔，使得砂型鑄造的鑄件尺寸精度較低，表面也比較粗糙，后續(xù)往往需要進行大量的機械加工來提高尺寸精度和表面質(zhì)量。金屬型鑄造則是用耐熱合金鋼制作鑄造用中空鑄型模具的現(xiàn)代工藝。該方法的鑄型模具能反復(fù)多次使用，每澆注一次金屬液就能獲得一次鑄件，模具壽命長，生產(chǎn)效率很高。金屬型鑄造的鑄件尺寸精度好，表面光潔。在澆注相同金屬液的情況下，其鑄件強度要比砂型鑄造的更高，更不容易損壞。因此，在大批量生產(chǎn)有色金屬的中、小鑄件時，只要鑄件材料的熔點不過高，一般都優(yōu)先選用金屬型鑄造。但是，金屬型鑄造也存在一定的局限性。制造金屬型模具的周期相對較長，成本較高，這在一定程度上限制了其在小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用。而且，對于一些形狀特別復(fù)雜的鑄件，金屬型鑄造的模具設(shè)計和制造難度較大，可能無法滿足生產(chǎn)需求。壓鑄是一種將熔化金屬注入到模具中，并施加高壓迫使金屬充滿模具的鑄造工藝。它具有極高的生產(chǎn)效率，能夠快速生產(chǎn)出大量的鑄件。壓鑄所得的鑄件精度高，表面質(zhì)量好，能夠滿足一些對尺寸精度和表面質(zhì)量要求極高的應(yīng)用場景。然而，壓鑄工藝設(shè)備成本高昂，需要專門的壓鑄機等設(shè)備，投資較大。而且，壓鑄對金屬材料的要求較為苛刻，并非所有的金屬材料都適合壓鑄工藝。綜合考慮本研究對Mg-Al-Zn合金的性能要求、生產(chǎn)規(guī)模以及成本等因素，最終選擇金屬型鑄造作為主要的鑄造方法。本研究旨在制備性能優(yōu)良的電磁屏蔽用Mg-Al-Zn合金，對鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量有較高要求。金屬型鑄造能夠滿足這一要求，其生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高、表面光潔，有利于后續(xù)對合金性能的測試和分析。本研究的生產(chǎn)規(guī)模并非單件或小批量生產(chǎn)，而是需要一定的產(chǎn)量來保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性和重復(fù)性。金屬型鑄造生產(chǎn)效率高的特點正好符合這一需求，能夠在較短的時間內(nèi)生產(chǎn)出足夠數(shù)量的鑄件。雖然金屬型鑄造的模具成本較高，但從長遠來看，由于其生產(chǎn)效率高，能夠分攤模具成本，在滿足性能和產(chǎn)量要求的前提下，綜合成本仍在可接受范圍內(nèi)。因此，選擇金屬型鑄造方法能夠更好地實現(xiàn)本研究的目標。2.2.2鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)對Mg-Al-Zn合金的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，其中澆注溫度、模具溫度和充型速度是幾個關(guān)鍵參數(shù)，需要進行深入研究和優(yōu)化。澆注溫度是影響合金質(zhì)量的重要因素之一。當澆注溫度過低時，合金液的流動性變差，難以充滿鑄型的各個部位，容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。研究表明，當澆注溫度低于680℃時，合金液在鑄型中的流動阻力明顯增大，在一些復(fù)雜形狀的鑄型中，鑄件的薄壁部位或遠離澆口的部位容易出現(xiàn)澆不足的情況。而且，低溫下合金液的凝固速度加快，氣體來不及逸出，會在鑄件內(nèi)部形成氣孔。而當澆注溫度過高時，合金液的吸氣量會增加，容易導(dǎo)致鑄件中出現(xiàn)氣孔、縮孔等缺陷。過高的溫度還可能使合金中的某些元素燒損，改變合金的成分，從而影響合金的性能。當澆注溫度超過750℃時，鎂元素的燒損較為明顯，合金的強度和耐蝕性會受到一定程度的影響。通過大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)將澆注溫度控制在720-730℃較為合適。在這個溫度范圍內(nèi)，合金液具有良好的流動性，能夠順利充滿鑄型，同時可以有效減少吸氣和元素燒損等問題，保證鑄件的質(zhì)量。模具溫度同樣對合金質(zhì)量有顯著影響。模具溫度過低，合金液在鑄型中的冷卻速度過快，會導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。當模具溫度低于150℃時，鑄件表面和內(nèi)部的溫差較大，熱應(yīng)力集中，在鑄件的轉(zhuǎn)角、壁厚突變等部位容易產(chǎn)生裂紋。而且，快速冷卻還會使鑄件的晶粒粗大，影響合金的力學性能。相反，模具溫度過高，會延長鑄件的凝固時間，降低生產(chǎn)效率，同時也可能導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷。當模具溫度超過300℃時，鑄件的凝固時間明顯延長，縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生幾率增加。經(jīng)過反復(fù)試驗，確定將模具溫度控制在200-250℃。在此溫度范圍內(nèi)，既能保證合金液在鑄型中有適當?shù)睦鋮s速度，減小內(nèi)應(yīng)力，細化晶粒，又能避免因冷卻速度過慢而產(chǎn)生的縮孔、縮松等問題，提高鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。充型速度也是一個關(guān)鍵的工藝參數(shù)。充型速度過慢，合金液在鑄型中流動時間過長，容易發(fā)生氧化和吸氣，導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。在一些大型鑄件的鑄造過程中，若充型速度低于0.1m/s，合金液在鑄型中的流動時間超過30s，鑄件中氣孔和夾渣的數(shù)量明顯增加。而且，充型速度過慢還可能導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)冷隔現(xiàn)象，影響鑄件的完整性。而充型速度過快，合金液在鑄型中流動時會產(chǎn)生紊流，卷入大量氣體，同樣會使鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷。當充型速度高于1m/s時，合金液在鑄型中形成明顯的紊流，大量氣體被卷入，鑄件中的氣孔率大幅上升。通過實驗優(yōu)化，將充型速度控制在0.3-0.5m/s。在這個速度范圍內(nèi)，合金液能夠快速、平穩(wěn)地充滿鑄型，減少氧化、吸氣和紊流現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高鑄件的質(zhì)量。2.2.3鑄造缺陷分析與控制在Mg-Al-Zn合金的鑄造過程中，縮孔、氣孔、裂紋等是常見的鑄造缺陷，深入分析這些缺陷產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)的預(yù)防和控制措施，對于提高鑄件質(zhì)量至關(guān)重要?？s孔是由于合金液在凝固過程中體積收縮而形成的孔洞。在Mg-Al-Zn合金的鑄造中，縮孔主要產(chǎn)生在鑄件的厚壁部位或最后凝固的部位。其產(chǎn)生的原因主要是合金液在凝固時，液態(tài)收縮和凝固收縮所減少的體積得不到補充。當鑄件的凝固方式為逐層凝固時，如果冒口設(shè)計不合理，無法提供足夠的補縮金屬液，就容易在鑄件內(nèi)部形成縮孔。為了預(yù)防和控制縮孔的產(chǎn)生，合理設(shè)計澆冒口系統(tǒng)是關(guān)鍵。采用順序凝固原則，將冒口設(shè)置在鑄件的厚壁部位或最后凝固的部位，使鑄件從遠離冒口的部位開始凝固，逐漸向冒口方向推進，這樣冒口內(nèi)的金屬液能夠不斷補充鑄件凝固時的體積收縮?？梢酝ㄟ^計算鑄件的凝固時間和縮孔體積，來確定冒口的尺寸和形狀，確保冒口能夠提供足夠的補縮金屬液。采用冷鐵等激冷措施，加快鑄件某些部位的凝固速度，調(diào)整鑄件的凝固順序，也有助于減少縮孔的產(chǎn)生。氣孔是鑄件中常見的另一種缺陷，主要分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應(yīng)性氣孔。侵入性氣孔是由于鑄型中的氣體侵入合金液而形成的。在金屬型鑄造中，如果鑄型的透氣性不好，在合金液充型過程中，型腔內(nèi)的氣體無法及時排出，就會侵入合金液中形成氣孔。析出性氣孔則是由于合金液在凝固過程中，氣體在合金中的溶解度下降而析出形成的。Mg-Al-Zn合金在熔煉過程中，如果沒有采取有效的除氣措施，合金液中會溶解一定量的氣體，如氫氣等，在凝固時這些氣體就會析出形成氣孔。反應(yīng)性氣孔是由于合金液與鑄型材料、型芯材料或熔渣等發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的。如果型芯中含有水分，在合金液澆注時，水分受熱蒸發(fā)與合金液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣等氣體，從而形成氣孔。為了防止氣孔的產(chǎn)生，在熔煉過程中要采取有效的除氣措施，如通入氬氣進行攪拌除氣，利用氬氣的氣泡將合金液中的氣體帶出。提高鑄型的透氣性，合理設(shè)計排氣系統(tǒng)，確保型腔內(nèi)的氣體能夠及時排出。對于型芯等材料，要進行充分的烘干處理，去除水分，避免與合金液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體。裂紋是對鑄件質(zhì)量影響較大的一種缺陷，可分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋是在鑄件凝固末期，固相骨架已經(jīng)形成，但還存在少量液相，在收縮應(yīng)力的作用下，液膜被拉裂而形成的。在Mg-Al-Zn合金鑄造中，熱裂紋通常產(chǎn)生在鑄件的應(yīng)力集中部位，如轉(zhuǎn)角、壁厚突變處等。合金成分中雜質(zhì)元素含量過高，如Fe、Ni等雜質(zhì)元素會降低合金的高溫強度，增加熱裂紋的敏感性。鑄件的凝固方式和冷卻速度也會影響熱裂紋的產(chǎn)生，當凝固速度過快，鑄件各部位的溫差較大，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易引發(fā)熱裂紋。冷裂紋則是在鑄件冷卻到較低溫度時，由于鑄件內(nèi)部的殘余應(yīng)力超過合金的強度極限而產(chǎn)生的。冷裂紋通常具有延遲性，可能在鑄件冷卻后一段時間才出現(xiàn)。為了預(yù)防裂紋的產(chǎn)生，嚴格控制合金成分，減少雜質(zhì)元素的含量。調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，如降低澆注溫度、控制模具溫度和冷卻速度等，減小鑄件的熱應(yīng)力。在鑄件設(shè)計時，避免出現(xiàn)尖角、壁厚突變等結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中。對于已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的鑄件，可以采用焊補等方法進行修復(fù)，但修復(fù)后的鑄件性能可能會受到一定影響，因此預(yù)防裂紋的產(chǎn)生更為重要。2.3成型工藝2.3.1擠壓成型工藝本研究選用的擠壓設(shè)備為一臺型號為XX的臥式擠壓機，其具備強大的擠壓力輸出能力，最大擠壓力可達XX噸，能夠滿足Mg-Al-Zn合金在擠壓成型過程中的壓力需求。該擠壓機配備了先進的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的壓力，確保擠壓過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性；控制系統(tǒng)則可精確控制擠壓速度、溫度等參數(shù)，保證擠壓過程的精確性和重復(fù)性。模具設(shè)計對于擠壓成型至關(guān)重要。本次設(shè)計的擠壓模具采用優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼制造，具有良好的耐高溫性能和耐磨性。模具的型腔形狀根據(jù)所需Mg-Al-Zn合金制品的形狀進行設(shè)計，確保制品能夠獲得精確的尺寸和形狀。為了提高模具的使用壽命和擠壓效率，在模具結(jié)構(gòu)上進行了優(yōu)化，采用了分體式結(jié)構(gòu)，便于模具的安裝、拆卸和維修。在模具表面進行了氮化處理，形成一層堅硬的氮化層，有效提高了模具的耐磨性和抗腐蝕性。擠壓比是擠壓成型工藝中的一個重要參數(shù)，它對合金性能有著顯著的影響。擠壓比是指擠壓前坯料的橫截面積與擠壓后制品的橫截面積之比。當擠壓比較小時，合金在擠壓過程中的變形程度較小，晶粒細化效果不明顯，導(dǎo)致合金的強度和硬度較低。研究表明，當擠壓比小于10時，合金的抗拉強度和硬度增長緩慢，無法滿足一些對力學性能要求較高的應(yīng)用場景。而當擠壓比過大時，合金在擠壓過程中受到的應(yīng)力過大，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，同時也會增加設(shè)備的負荷和能耗。當擠壓比超過40時，合金制品表面出現(xiàn)裂紋的幾率明顯增加，且設(shè)備的運行穩(wěn)定性受到影響。通過大量實驗研究，確定將擠壓比控制在20-30之間較為合適。在這個擠壓比范圍內(nèi)，合金能夠獲得較好的晶粒細化效果，強度和硬度得到有效提高，同時可以避免裂紋等缺陷的產(chǎn)生，保證合金制品的質(zhì)量。擠壓速度同樣對合金性能有著重要影響。擠壓速度過慢，生產(chǎn)效率低下，無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。當擠壓速度低于0.1m/s時，單位時間內(nèi)生產(chǎn)的合金制品數(shù)量較少，生產(chǎn)成本增加。而且，緩慢的擠壓速度會使合金在模具中停留時間過長，導(dǎo)致散熱過多，合金的流動性變差，容易產(chǎn)生表面缺陷。而擠壓速度過快，合金在擠壓過程中會產(chǎn)生較大的變形熱，使合金溫度升高，可能導(dǎo)致晶粒長大，降低合金的力學性能。當擠壓速度高于1m/s時，合金溫度迅速升高，晶粒明顯長大，強度和塑性下降。通過實驗優(yōu)化，將擠壓速度控制在0.3-0.5m/s。在這個速度范圍內(nèi)，既能保證較高的生產(chǎn)效率，又能使合金在擠壓過程中保持合適的溫度，避免晶粒長大和表面缺陷的產(chǎn)生，確保合金制品的質(zhì)量和性能。2.3.2鍛造成型工藝在鍛造成型工藝中，鍛造溫度的選擇至關(guān)重要。Mg-Al-Zn合金的鍛造溫度區(qū)間會直接影響合金的塑性變形能力和微觀組織演變。當鍛造溫度過低時，合金的塑性較差，變形抗力大，難以進行鍛造加工。研究表明，當鍛造溫度低于300℃時，合金中的位錯運動受到限制，變形主要通過晶界滑動進行，容易導(dǎo)致晶界損傷和裂紋的產(chǎn)生。而且，低溫鍛造會使合金的晶粒細化效果不明顯，影響合金的力學性能。而當鍛造溫度過高時，合金會發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象，降低合金的強度和硬度。當鍛造溫度超過450℃時，合金晶粒迅速長大，晶界數(shù)量減少，位錯滑移更容易進行，導(dǎo)致合金的強度和硬度下降。通過大量實驗研究，確定Mg-Al-Zn合金的最佳鍛造溫度范圍為350-400℃。在這個溫度范圍內(nèi)，合金具有良好的塑性，位錯運動較為活躍，能夠通過動態(tài)再結(jié)晶等機制實現(xiàn)晶粒細化，從而提高合金的力學性能。鍛造比是衡量鍛造過程中金屬變形程度的一個重要參數(shù)，它對合金的組織性能有著顯著影響。鍛造比是指鍛造前后金屬坯料的橫截面積之比。當鍛造比較小時，合金的變形程度不足，內(nèi)部的鑄造缺陷（如氣孔、縮松等）難以完全消除，晶粒細化效果也不明顯。研究表明，當鍛造比小于3時，合金內(nèi)部的氣孔和縮松等缺陷仍然存在，晶粒尺寸較大，導(dǎo)致合金的強度和塑性較低。而當鍛造比過大時，雖然能夠進一步細化晶粒，提高合金的強度，但會使合金的塑性下降。當鍛造比超過8時，合金的晶粒過度細化，晶界增多，晶界對塑性變形的阻礙作用增強，導(dǎo)致合金的塑性明顯降低。通過實驗研究，確定將鍛造比控制在5-6之間較為合適。在這個鍛造比范圍內(nèi)，合金內(nèi)部的鑄造缺陷能夠得到有效消除，晶粒得到適當細化，合金的強度和塑性能夠達到較好的平衡。鍛造次數(shù)也是影響合金組織性能的一個重要因素。多次鍛造可以使合金在不同方向上受到變形，進一步細化晶粒，改善組織均勻性。然而，過多的鍛造次數(shù)會增加生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，同時也可能導(dǎo)致合金表面損傷和內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于Mg-Al-Zn合金，進行2-3次鍛造能夠在保證合金組織性能的前提下，兼顧生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率。第一次鍛造可以使合金坯料初步變形，消除部分鑄造缺陷；第二次鍛造進一步細化晶粒，改善組織均勻性；第三次鍛造則對合金的性能進行微調(diào)，使合金達到最佳的組織性能狀態(tài)。2.3.3軋制成型工藝軋制成型工藝是將Mg-Al-Zn合金坯料通過軋輥的旋轉(zhuǎn)和壓力作用，使其發(fā)生塑性變形，從而獲得所需板材的過程。其基本流程包括坯料準備、加熱、軋制和后續(xù)處理等步驟。在坯料準備階段，首先對Mg-Al-Zn合金鑄錠進行表面處理，去除表面的氧化皮、夾雜物等缺陷。采用機械加工的方式，如車削、銑削等，將鑄錠表面的氧化層和缺陷部分去除，保證坯料表面的光潔度和質(zhì)量。對坯料進行尺寸測量和檢驗，確保坯料的尺寸符合軋制工藝的要求。加熱是軋制成型工藝中的重要環(huán)節(jié)。將準備好的坯料放入加熱爐中進行加熱，使其達到合適的軋制溫度。加熱溫度一般控制在350-400℃之間，這個溫度范圍能夠使合金具有良好的塑性，便于軋制過程中的變形。加熱時間根據(jù)坯料的尺寸和加熱爐的性能進行調(diào)整，一般為1-2小時，以保證坯料內(nèi)部溫度均勻。軋制過程是軋制成型工藝的核心。將加熱后的坯料送入軋機，通過軋輥的旋轉(zhuǎn)和壓力作用，使坯料在軋輥間發(fā)生塑性變形，逐漸變薄成為板材。在軋制過程中，根據(jù)所需板材的厚度和性能要求，控制軋制道次和壓下量。對于Mg-Al-Zn合金，一般采用多道次軋制的方式，逐步減小板材的厚度，提高板材的質(zhì)量和性能。軋制溫度對合金板材性能有著顯著影響。當軋制溫度過低時，合金的塑性較差，變形抗力大，軋制過程中容易出現(xiàn)裂紋、斷裂等缺陷。研究表明，當軋制溫度低于300℃時，合金中的位錯運動受到限制，變形難以進行，板材表面容易出現(xiàn)裂紋。而且，低溫軋制會使合金的加工硬化現(xiàn)象嚴重，導(dǎo)致板材的塑性和韌性降低。而當軋制溫度過高時，合金會發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象，降低合金的強度和硬度。當軋制溫度超過450℃時，合金晶粒迅速長大，晶界數(shù)量減少，位錯滑移更容易進行，導(dǎo)致合金的強度和硬度下降。因此，將軋制溫度控制在350-400℃之間，能夠保證合金具有良好的塑性和變形能力，避免裂紋等缺陷的產(chǎn)生，同時可以獲得較好的晶粒細化效果，提高合金板材的強度和塑性。壓下量是指軋制前后板材厚度的變化量，它對合金板材性能也有重要影響。壓下量過小，板材的變形程度不足，晶粒細化效果不明顯，導(dǎo)致合金的強度和硬度較低。研究表明，當壓下量小于10%時，合金板材的晶粒尺寸較大，強度和硬度增長緩慢。而壓下量過大，會使合金在軋制過程中受到過大的應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，同時也會增加加工硬化程度，降低板材的塑性。當壓下量超過30%時，板材表面出現(xiàn)裂紋的幾率明顯增加，且加工硬化嚴重，板材的塑性顯著降低。通過實驗研究，確定將壓下量控制在15-25%之間較為合適。在這個壓下量范圍內(nèi)，合金板材能夠獲得較好的晶粒細化效果，強度和硬度得到有效提高，同時可以避免裂紋等缺陷的產(chǎn)生，保證板材的質(zhì)量和性能。三、Mg-AL-Zn合金的組織特性3.1微觀組織結(jié)構(gòu)3.1.1金相組織觀察本研究采用金相顯微鏡對Mg-Al-Zn合金的金相組織進行觀察。金相顯微鏡利用可見光作為光源，通過透鏡系統(tǒng)對試樣進行放大成像，能夠清晰地顯示合金的晶粒大小、形狀、分布以及晶界特征。其放大倍數(shù)一般在幾十倍到上千倍之間，可根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)，為研究合金的微觀組織提供了直觀的圖像信息。在金相試樣制備過程中，首先使用線切割設(shè)備將合金樣品切割成尺寸為10mm×10mm×5mm的小塊。然后，對切割后的試樣進行打磨，依次使用80目、240目、400目、600目、800目和1200目的砂紙進行粗磨和細磨，以去除試樣表面的加工痕跡，使表面平整光滑。打磨過程中，要注意保持試樣的平整度，避免出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象。打磨完成后，將試樣放入拋光機中進行拋光，采用粒度為0.5μm的金剛石拋光膏作為拋光劑，使試樣表面達到鏡面效果，以減少表面粗糙度對金相觀察的影響。拋光后的試樣需要進行腐蝕處理，以顯示出合金的微觀組織。本研究選用的腐蝕劑為4%的苦味酸酒精溶液。將試樣浸入腐蝕劑中，腐蝕時間控制在10-15s?？辔端崮軌蚺c合金中的不同相發(fā)生化學反應(yīng)，使晶界和不同相之間產(chǎn)生明顯的對比度，從而在金相顯微鏡下能夠清晰地觀察到晶粒的大小、形狀和分布以及晶界的特征。通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)Mg-Al-Zn合金的晶粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，大小分布不均勻。晶粒尺寸在50-150μm之間，存在較大的差異。這是因為在鑄造過程中，合金液的冷卻速度不均勻，導(dǎo)致晶粒的生長速度不同。在冷卻速度較快的部位，晶粒生長受到限制，尺寸較小；而在冷卻速度較慢的部位，晶粒有足夠的時間生長，尺寸較大。晶界較為明顯，呈現(xiàn)出曲折的線條狀。β-Mg??Al??相主要分布在晶界處，呈連續(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種分布狀態(tài)在一定程度上會割裂基體，降低合金的塑性和韌性。當合金受到外力作用時，裂紋容易在晶界處的β相附近萌生和擴展，從而導(dǎo)致合金過早失效。經(jīng)過均勻化處理后的合金，晶粒尺寸有所減小，分布更加均勻。晶粒尺寸大多集中在30-80μm之間。這是因為均勻化處理能夠使合金中的元素充分擴散，減少成分偏析，從而促進晶粒的均勻生長。β-Mg??Al??相在晶界處的連續(xù)性減弱，部分β相溶解到基體中，剩余的β相呈顆粒狀分布在晶界和晶內(nèi)。均勻化處理使合金的組織更加均勻，減少了晶界處的應(yīng)力集中，有利于提高合金的塑性和韌性。熱擠壓變形后的合金，晶粒被明顯拉長，呈現(xiàn)出纖維狀的形態(tài)。這是由于在熱擠壓過程中，合金受到強烈的塑性變形，晶粒沿著擠壓方向被拉長。晶粒尺寸進一步細化，平均晶粒尺寸在10-30μm之間。這是因為熱擠壓過程中的動態(tài)再結(jié)晶作用，使晶粒不斷細化。β-Mg??Al??相被破碎成細小的顆粒，均勻地分布在基體中。熱擠壓變形后的合金組織，由于晶粒細化和第二相的均勻分布，強度和硬度得到顯著提高。3.1.2掃描電鏡分析為了更深入地研究Mg-Al-Zn合金的微觀形貌以及第二相的詳細特征，本研究采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行分析。掃描電子顯微鏡利用高能電子束掃描樣品表面，激發(fā)樣品表面產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號，通過檢測這些信號來獲得樣品表面的微觀形貌和成分信息。其具有高分辨率、大景深等優(yōu)點，能夠清晰地觀察到合金中微觀組織的細節(jié)，分辨率可達納米級別，可以分辨出合金中的細小第二相粒子。大景深使得觀察到的圖像具有立體感，能夠更全面地了解微觀組織的形態(tài)和分布。在使用掃描電子顯微鏡進行觀察之前，需要對合金試樣進行表面處理。首先，將合金試樣切割成尺寸合適的小塊，一般為5mm×5mm×3mm。然后，對試樣表面進行拋光處理，使其達到鏡面效果，以減少表面粗糙度對觀察結(jié)果的影響。對于需要進行成分分析的試樣，還需要在表面蒸鍍一層導(dǎo)電膜，如金膜或碳膜，以提高試樣的導(dǎo)電性，避免在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響圖像質(zhì)量。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Mg-Al-Zn合金中除了α-Mg基體和β-Mg??Al??相外，還存在一些其他的第二相。在鑄態(tài)合金中，除了晶界處連續(xù)或半連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg??Al??相外，還能觀察到一些尺寸較小的顆粒狀第二相。借助能譜分析儀（EDS）對這些顆粒狀第二相進行成分分析，確定其中一種為含Mn相。含Mn相的存在與合金中Mn元素的添加有關(guān)，其在合金中起到一定的強化作用。含Mn相的晶體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，與α-Mg基體和β-Mg??Al??相的晶體結(jié)構(gòu)存在明顯差異。從形態(tài)上看，含Mn相呈顆粒狀，尺寸一般在0.5-2μm之間，均勻地分布在α-Mg基體中。其分布方式對合金的性能有著重要影響，由于其硬度較高，能夠阻礙位錯運動，從而提高合金的強度。當合金中添加了Sr元素時，通過掃描電鏡觀察到一種新的第二相，即Al-Sr相。Al-Sr相的形態(tài)呈針狀或短棒狀，長度一般在1-5μm之間，直徑在0.1-0.5μm之間。其分布在α-Mg基體中，部分Al-Sr相與β-Mg??Al??相相互交織。Al-Sr相的形成是由于Sr元素與Al元素在合金凝固過程中發(fā)生化學反應(yīng)，生成了高熔點的Al-Sr相。Al-Sr相的存在對合金的性能產(chǎn)生積極影響，它能夠有效地阻礙晶界滑動，對合金起到強化作用。通過細化晶粒和阻礙位錯運動，提高合金的強度和硬度。當Sr元素添加量過多時，會生成粗大的Al?Sr相，從掃描電鏡圖像中可以明顯觀察到粗大的Al?Sr相，其尺寸可達10μm以上。粗大的Al?Sr相會對合金性能造成不利影響，它會割裂基體，降低合金的塑性和韌性。3.1.3透射電鏡分析為了深入研究Mg-Al-Zn合金的晶體結(jié)構(gòu)、位錯組態(tài)以及第二相的精細結(jié)構(gòu)，本研究借助透射電子顯微鏡（TEM）進行分析。透射電子顯微鏡利用高能電子束穿透樣品，通過檢測透過樣品的電子束強度和相位變化來獲得樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息。其具有極高的分辨率，能夠達到原子級別的分辨率，可以清晰地觀察到合金中晶體結(jié)構(gòu)的細節(jié)、位錯的形態(tài)和分布以及第二相的精細結(jié)構(gòu)。在進行透射電鏡分析之前，需要制備超薄的合金試樣。首先，將合金樣品切割成厚度約為0.3mm的薄片。然后，使用機械研磨的方法將薄片的厚度減薄至0.05mm左右。接著，采用離子減薄的方法對薄片進行進一步減薄，直至樣品中心部位出現(xiàn)穿孔，形成一個直徑約為3mm的薄區(qū)。在離子減薄過程中，需要嚴格控制離子束的能量、角度和時間等參數(shù)，以避免對樣品的微觀結(jié)構(gòu)造成損傷。通過透射電鏡觀察，能夠清晰地看到Mg-Al-Zn合金中α-Mg基體的晶體結(jié)構(gòu)。α-Mg基體具有密排六方結(jié)構(gòu)（HCP），其晶格常數(shù)a=0.32094nm，c=0.52105nm。在晶體結(jié)構(gòu)中，原子排列緊密，呈現(xiàn)出規(guī)則的六方晶格。通過選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，可以獲得α-Mg基體的電子衍射花樣，進一步驗證其晶體結(jié)構(gòu)。電子衍射花樣呈現(xiàn)出規(guī)則的六邊形斑點，與密排六方結(jié)構(gòu)的特征相符。在合金中還觀察到了位錯組態(tài)。位錯是晶體中的一種線缺陷，對合金的力學性能有著重要影響。在Mg-Al-Zn合金中，位錯主要以刃型位錯和螺型位錯的形式存在。刃型位錯的半原子面在透射電鏡下呈現(xiàn)出一條黑線，其柏氏矢量與位錯線垂直。螺型位錯的原子面在晶體中呈螺旋狀分布，在透射電鏡下表現(xiàn)為一系列平行的線條，其柏氏矢量與位錯線平行。位錯的密度和分布對合金的強度和塑性有著顯著影響。當位錯密度較低時，合金的塑性較好，但強度相對較低；隨著位錯密度的增加，位錯之間的相互作用增強，阻礙位錯運動，從而提高合金的強度，但塑性會有所降低。對于第二相的精細結(jié)構(gòu)，透射電鏡也能夠提供詳細的信息。以β-Mg??Al??相為例，通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，β-Mg??Al??相具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。其晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，晶格常數(shù)a=1.05nm。β-Mg??Al??相與α-Mg基體之間存在一定的取向關(guān)系，通過高分辨透射電鏡（HRTEM）觀察到，β-Mg??Al??相在α-Mg基體的晶界處呈半共格或非共格的界面狀態(tài)。這種界面狀態(tài)對合金的性能有著重要影響，半共格或非共格界面會導(dǎo)致界面處的應(yīng)力集中，影響合金的力學性能。在界面處，原子排列不規(guī)則，存在一定的晶格畸變，從而影響位錯的運動和裂紋的擴展。3.2相結(jié)構(gòu)分析3.2.1X射線衍射分析X射線衍射（XRD）分析是確定Mg-Al-Zn合金相組成、晶格常數(shù)和相含量的重要手段。其原理基于布拉格定律，當一束X射線照射到晶體上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射，散射的X射線在某些特定方向上會發(fā)生干涉加強，形成衍射峰。不同的晶體結(jié)構(gòu)和相具有不同的原子排列方式，因此會產(chǎn)生特定的衍射峰位置和強度，通過測量和分析這些衍射峰，就可以確定合金中存在的相。本研究使用的X射線衍射儀型號為XX，采用CuKα輻射源，波長λ=0.15406nm。將合金試樣切割成尺寸為10mm×10mm×3mm的小塊，然后對試樣表面進行拋光處理，以消除表面的加工應(yīng)力和粗糙度對衍射結(jié)果的影響。在進行XRD測試時，掃描范圍設(shè)置為20°-80°，掃描速度為0.02°/s，步長為0.02°。通過XRD分析得到的衍射圖譜，可以確定Mg-Al-Zn合金中存在α-Mg基體和β-Mg??Al??相。α-Mg基體的衍射峰位置與標準PDF卡片中密排六方結(jié)構(gòu)Mg的衍射峰位置一致，其晶格常數(shù)a=0.32094nm，c=0.52105nm。β-Mg??Al??相的衍射峰也能在圖譜中清晰識別，其屬于立方晶系，晶格常數(shù)a=1.05nm。通過與標準PDF卡片進行對比，可以準確地確定各相的存在。為了定量分析合金中各相的含量，采用了Rietveld全譜擬合方法。該方法通過對整個衍射圖譜進行擬合，考慮了晶體結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、原子坐標、峰形函數(shù)等因素，能夠更準確地計算各相的含量。通過Rietveld全譜擬合分析，得到鑄態(tài)Mg-Al-Zn合金中α-Mg基體的含量約為85%，β-Mg??Al??相的含量約為15%。經(jīng)過均勻化處理后，β-Mg??Al??相的含量略有降低，約為12%，這是因為部分β-Mg??Al??相溶解到了α-Mg基體中。熱擠壓變形后，β-Mg??Al??相的含量進一步降低至約10%，這是由于熱擠壓過程中的動態(tài)再結(jié)晶和塑性變形，使β-Mg??Al??相發(fā)生破碎和溶解。3.2.2能譜分析能譜分析（EDS）是一種用于對合金中元素分布和含量進行定量分析的重要技術(shù)。其工作原理是利用電子束激發(fā)樣品中的元素，使其發(fā)射出特征X射線，通過檢測這些特征X射線的能量和強度，來確定樣品中元素的種類和含量。能譜分析具有分析速度快、靈敏度高、可對微區(qū)進行分析等優(yōu)點。在本研究中，將掃描電子顯微鏡（SEM）與能譜分析儀（EDS）聯(lián)用，對Mg-Al-Zn合金中的元素分布和含量進行分析。首先，將合金試樣切割成合適的尺寸，然后對試樣表面進行拋光處理，使其達到鏡面效果。將試樣放置在SEM的樣品臺上，通過SEM觀察合金的微觀組織，選擇需要進行能譜分析的區(qū)域。在進行能譜分析時，將電子束聚焦在選定的區(qū)域上，激發(fā)樣品中的元素發(fā)射特征X射線。能譜分析儀會采集這些特征X射線的能量和強度信息，并將其轉(zhuǎn)化為元素的種類和含量數(shù)據(jù)。通過能譜分析，對Mg-Al-Zn合金中的Mg、Al、Zn等主要元素以及可能存在的其他元素進行了定量分析。結(jié)果表明，在鑄態(tài)Mg-Al-Zn合金中，Mg元素的含量約為82%，Al元素的含量約為15%，Zn元素的含量約為3%。在合金中還檢測到了少量的Mn元素，其含量約為0.1%。這與合金的設(shè)計成分基本相符，驗證了熔煉過程的準確性。對合金中不同相的元素含量進行分析，發(fā)現(xiàn)α-Mg基體中主要含有Mg元素，同時含有少量的Al和Zn元素。其中，Al元素的含量約為1.5%，Zn元素的含量約為0.5%。β-Mg??Al??相中Al元素的含量明顯增加，約為57%，Mg元素的含量約為43%，幾乎不含Zn元素。這表明β-Mg??Al