摘要：采用搅拌摩擦加工对汽车轻量化Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金进行改性，并进行了合金的显微组织、物相组成、微观织构和力学性能的分析。结果表明：搅拌摩擦加工使合金的平均晶粒尺寸减小64.6%、织构最大值减小27.69%，显著提高了合金力学性能，其中抗拉强度增加22.2%、屈服强度增加44.6%、断后伸长率增加6.8%；合金仍是由α-Mg 基体和少量Mg17Al12相组成，但Mg17Al12第二相由网状结构分布变成弥散的颗粒状分布。
关键词：搅拌摩擦加工； 汽车轻量化； Mg-8Al-1Zn-0.05Y 镁合金； 微观织构； 力学性能
随着汽车轻量化需求的日益迫切， 镁合金作为广泛应用的轻合金在汽车上有着极大的应用潜力，但是现有的商用镁合金往往存在力学性能、耐腐蚀性和疲劳性能等不佳的问题，难以满足汽车轻量化的需求，迫切需要采用新的技术或方法对镁合金进行改性。搅拌摩擦加工（Friction Stir Processing，简称FSP）是伴随搅拌摩擦加工发展起来的一种新型材料加工改性技术。目前，镁合金的研究主要集中在合金元素优化、制备工艺和力学性能等方面的研究；而对镁合金搅拌摩擦加工后的组织织构研究的还较少，这限制了镁合金在汽车轻量化上的大规模应用。鉴于此，本文尝试采用搅拌摩擦加工方法，对Mg-8Al-1Zn-0.05Y新型镁合金进行改性研究，并分析了搅拌摩擦加工对合金显微组织、物相组成和微观织构的影响，为镁合金在汽车轻量化上的应用提供了一条新的思路。
1试验材料与方法
选择铸态Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金为研究对象，先在TXZ-150 型中频感应熔炼炉中进行合金试样的熔炼，然后用铁模浇注、空冷，并去除表面氧化皮，获得铸态Mg-8Al-1Zn-0.05Y 镁合金，并切割成长方体试样，试样尺寸为200mm（长）×50mm（宽）×5mm（高）。合金的化学成分(质量分数，%)为：7.992Al、1.012Zn、0.284Mn、0.103V、0.013Fe、0.008Si、余量Mg。
在FSW-LM-AM16 型小型龙门搅拌摩擦加工机上进行铸态Mg-8Al-1Zn-0.05Y 镁合金的搅拌摩擦加工试验。搅拌头由钨铼合金来制作， 轴肩直径15mm， 搅拌针长度4.8mm， 搅拌头下降和提升速度均为10 mm/min， 搅拌头插入和回抽停留时间均为5 s。试样搅拌摩擦加工的主要工艺参数为：旋转速度600 r/min、加工速度300 mm/min、轴肩下压量0.15mm。
搅拌摩擦加工后用线切割方法垂直于加工方向切取金相试样，经打磨、抛光、浸蚀后用JX-08 型金相显微镜（OM）和EVO18 型扫描电镜（SEM）观察合金的显微组织。物相组成采用D/max 2000/PC 型X射线衍射仪进行分析，用Cu 靶，管电压为30 kV、管电流为40mA。织构采用X'PertPRD 型织构测量仪进行测量，用Co 靶，管电压为35 kV、管电流为40mA。力学性能在CMT5000GL 型拉伸试验机上测试，测试温度25℃，并用EVO18 型扫描电镜进行拉伸断口形貌观察。
2试验结果及分析
2.1 XRD 分析
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金在搅拌摩擦加工前后的XRD 图谱，如图1 所示。可看出，该合金在搅拌摩擦加工前后的物相组成未发生变化， 二者均由α-Mg 基体和少量的Mg17Al12相组成； 但是与搅拌摩擦加工前相比， 搅拌摩擦加工后合金中Mg17Al12第二相的衍射峰强度明显变弱。这主要是因为在搅拌摩擦加工过程中， 具有较低熔点的Mg17Al12第二相发生了部分溶解，合金中Mg17Al12第二相由原本的网状结构分布变成弥散的颗粒状分布。
2.2 显微组织
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金在搅拌摩擦加工前后的显微组织OM 照片和SEM 照片， 分别如图2、3 所示。综合可看出，与搅拌摩擦加工处理前相比， 搅拌摩擦加工后铸态AZ81 镁合金的显微组织得到明显细化， 合金的平均晶粒尺寸从24.6μm减小至8.7μm，平均晶粒尺寸减小了64.6%。合金的Mg17Al12第二相由网状结构变为细小的弥散分布。这主要是因为在搅拌摩擦加工过程中， 搅拌头和搅拌针与AZ81 镁合金之间的摩擦产生热量， 使得该合金的晶粒发生完全动态再结晶， 合金晶粒明显细化。
2.3 织构分析
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金在搅拌摩擦加工前后的织构，如图4 所示。可看出，经过搅拌摩擦加工改性后，上述镁合金的织构发生明显变化，合金的内部织构发生明显弱化， 织构最大值从8.784 减小至6.352，减小了27.69%。由此可看出，搅拌摩擦加工显著弱化了Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金的内部织构。
2.4 力学性能
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金在搅拌摩擦加工前后的力学性能测试结果， 如表1 所示。从表1可以看出，与搅拌摩擦加工处理前相比，搅拌摩擦加工后Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金的力学性能得到显著提高，抗拉强度从243MPa 增加至297MPa，增加了22.2%；屈服强度从139MPa 增加至201MPa，增加了44.6%；断后伸长率从8.6%增加至15.4%， 增加了6.8%。由此可看出，搅拌摩擦加工改善了Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金的力学性能。这主要是因为在搅拌摩擦加工过程中， 在摩擦和搅拌双重作用下，合金内部发生了明显动态再结晶，合金晶粒得到明显细化，内部织构得到弱化，从而显著提高了合金的力学性能。
3结论
(1) 搅拌摩擦加工显著细化了Mg-8Al-1Zn-0.05Y新型镁合金的晶粒，平均晶粒尺寸减小64.6%；弱化了合金的内部织构，织构最大值减小27.69%，这显著提高了合金的力学性能。
(2) 搅拌摩擦加工使Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型镁合金的抗拉强度增加22.2% 、屈服强度增加44.6%、断后伸长率增加6.8%。
(3) 搅拌摩擦加工未能使Mg-8Al-1Zn-0.05Y新型镁合金的物相组成发生本质改变， 仍是由α-Mg 基体和少量Mg17Al12相组成；但是与搅拌摩擦加工前相比， 搅拌摩擦加工后合金中Mg17Al12第二相的衍射峰强度明显变弱，Mg17Al12第二相发生了部分溶解， 合金中Mg17Al12第二相由原本的网状结构分布变成弥散的颗粒状分布。