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本文利用原位自生反应制备了Mg2Si／AZ91D复合材料,研究了P、Sr、Ce复合变质,高能超声以及热处理对复合材料的组织及其力学性能的影响。通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能量散射光谱(EDS)、X射线衍射(XRD)等方法分析不同工艺制备的Mg2Si／AZ91D复合材料的显微组织与相组成。
直接向AZ91D合金熔体中加入SiO2(Si含量为熔体质量的1.5wt.％)粉末后,制备的Mg2Si／AZ91D复合材料的组织由Mg基体、不连续网状的β-Mg17Al12相和汉字状的Mg2Si相组成,Mg2Si相平均尺寸为10～30μm。添加P、Sr、Ce对Mg2Si相的形貌、尺寸有明显的改善,当添加0.05 wt.％P、0.1 wt.％Sr、0.3 wt.％Ce变质处理后Mg2Si形貌全部变为多边形状,且在基体上弥散分布,平均尺寸约0.5～5μm。此时复合材料的抗拉强度和伸长率分别为212.7MPa和2.37％。
对熔体施加高能超声,研究了不同的超声处理工艺对Mg2Si／AZ91D复合材料组织与性能的影响。结果表明:当超声处理工艺为1.2kW,6min时,Mg2Si相和β-Mg17Al12相最为细小,且分布均匀,复合材料的抗拉强度σb和伸长率δ分别达到了220.5MPa和2.6％,较未施加超声处理的试样提高了22.3％和38.9％。拉伸断口上解理面变小,出现韧窝,复合材料的塑性得到提高。对变质后的复合材料施加高能超声,发现多边形Mg2Si颗粒变得圆整,尺寸更细小,分散更均匀。此时,其抗拉强度σb和伸长率δ分别为227.3MPa和2.82％。
对Mg2Si／AZ91D复合材料进行热处理,研究了T4处理(420℃不同保温时间的固溶处理)及T6处理(固溶+180℃12h的时效处理)对复合材料组织与性能的影响。研究发现:T4处理能显著改善复合材料中MgeSi相的形貌与分布,随着保温时间的延长,汉字状的Mg2Si相逐渐熔断、球化,在420℃,16h固溶处理时,球化的Mg2Si相最为细小、弥散且分布均匀；而β-Mg17Al12相溶入基体中,形成过饱和固溶体。固溶后的时效处理对Mg2Si相的形貌和分布基本上没有影响,β-Mg17Al12相则重新析出。T4处理时,在420℃保温16h时,抗拉强度σb和伸长率δ达到最高,较未T4处理的复合材料抗拉强度和伸长率分别增加了14.5％和26.9％,复合材料的拉伸断口为准解理断裂。T6处理后,复合材料的抗拉强度σb达到216.7MPa,较未热处理和T4处理分别提高了20.2％和5％；但是其伸长率δ为2.27％,较T4处理下降了10.9％,复合材料的断裂机制主要为解理断裂。固溶处理过程中在Mg2Si／Mg界面间的表面张力作用下,Mg2Si相不同曲率处的Si原子发生扩散,使得Mg2Si相不断熔断、扩散、析出,最终获得球化的Mg2Si相。
热处理对变质后的Mg2Si／AZ91D复合材料的Mg2Si相的形貌基本没有影响,仅棱角边缘处有钝化现象；β-Mg17Al12相在固溶过程中先溶入基体中,在随后的时效处理过程中呈球状或短棒状重新析出。此时,复合材料的抗拉强度σb为225.6MPa,伸长率δ为2.78％,断口特征为准解理断裂。