تاثیر ریخته گری فشاری بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژهای منیزیم با روی بالا

منیزیم و آلیاژهای منیزیم با چگالی کم، استحکام و سختی ویژه بالا، خواص میرایی خوب، عملکرد محافظ الکترونیکی عالی و سهولت بازیافت مشخص می شوند. آنها دارای ارزش کاربردی قابل توجه و چشم انداز وسیعی در زمینه هایی مانند خودروسازی، الکترونیک، هوا فضا و صنایع دفاعی هستند. در میان آنها، آلیاژهای سری Mg-Zn-Al (ZA) عملکرد خوب در دمای بالا، خواص ریخته گری عالی و هزینه های تولید پایین تر از خود نشان می دهند. تحقیقات نشان می دهد که با تغییر محتوای روی و کنترل نسبت w(Zn)/w(Al) در آلیاژهای Mg-Zn-Al، می توان مقاومت حرارتی آلیاژ و مقاومت در برابر خزش در دمای بالا را افزایش داد.

ریزساختار آلیاژهای Mg-Zn-Al عمدتاً از فازهای پایدار در برابر حرارت مانند τ-Mg32(Al,Zn)49 (نقطه ذوب 535 درجه سانتی گراد)، φ-Al2Mg5Zn2 (نقطه ذوب 393 درجه سانتی گراد)، یا ε-MgZn (نقطه ذوب 347 درجه سانتی گراد) تشکیل شده است. آلیاژهای با w(Zn)/w(Al) ≥ 2، به ویژه آنهایی که محتوای روی بالایی دارند (به عنوان مثال، ZA102، ZA122، ZA122)، به دلیل تشکیل فازهای پایدار در برابر حرارت مانند Mg32(Al,Zn)49 و ε-MgZn مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر خزش بهبود یافته را نشان می دهند. با این حال، عیوب ریخته گری، مانند انقباض، همچنان کاربرد بیشتر آلیاژهای Mg-Zn-Al را در فرآیندهای ریخته گری سنتی محدود می کند.

ریخته گری فشرده یک فناوری پردازش فلز کارآمد و دقیق است که ویژگی های ریخته گری و تغییر شکل پلاستیک را ترکیب می کند. اعمال فشار در طول انجماد برای پالایش اندازه دانه و دستیابی به تغذیه اجباری در طول انجماد، کاهش یا حذف عیوب ریخته گری ناشی از گاز در مذاب و انقباض انجماد مفید است. این منجر به ساختار ریخته گری متراکم تر می شود.

در این مطالعه با تمرکز بر آلیاژ Mg-14Zn-3Al (ZA143)، آزمایش‌های ریخته‌گری تحت فشار با فشارهای مختلف (0، 40، 80 و 120MPa) برای بررسی اثرات آن‌ها بر ریزساختار، ریزتخلخل و خواص مکانیکی انجام شد. نتایج نشان داد که افزایش فشار به طور موثری عیوب ریخته گری را از بین می برد و چگالی و خواص مکانیکی آلیاژ را افزایش می دهد.

تحت هیچ فشاری (ریخته گری گرانشی)، دندریت های α-منیزیم درشت بودند، و فاز دوم در مرزهای دانه به طور ناپیوسته با کسر ناحیه کوچکی توزیع شد. با افزایش فشار به 40 مگاپاسکال، دندریت‌های α-منیزیم پالایش شدند، فاز دوم افزایش یافت و توزیع آن در مرزهای دانه از ناپیوسته به پیوسته تغییر کرد، با تمایل به پالایش در توزیع داخلی فاز دوم دانه‌ای (ε-MgZn). با افزایش فشار بیشتر، روند پالایش دندریت های α-منیزیم کاهش یافت، و فاز دوم یک توزیع مشبک پیوسته در مرزهای دانه نشان داد، در حالی که توزیع داخلی فاز دوم دانه ریز به افزایش ادامه داد.

علاوه بر این، مشاهده شد که ریز تخلخل زمانی رخ می دهد که هیچ فشاری اعمال نشود. با افزایش فشار، به ویژه در 80 مگاپاسکال و 120 مگاپاسکال، ریز تخلخل مشاهده نشد. بدون فشار، ریز تخلخل در ریخته‌گری‌های آلیاژ منیزیم ZA143 عمدتاً در قسمت میانی بالایی متمرکز می‌شود و «باندهایی» را تشکیل می‌دهد که به طور متقارن در اطراف مرکز توزیع شده‌اند، در حالی که ریزتخلخل کمتری در سطوح جانبی و پایینی وجود دارد. با افزایش فشار، ریز تخلخل در ریخته‌گری‌های آلیاژ منیزیم ZA143 در 40 مگاپاسکال و 80 مگاپاسکال کاهش یافت و دیگر خوشه‌بندی متراکم را نشان نداد، بلکه توزیع "V شکل" بزرگ‌تری را نشان داد. این به اثر سرد بر روی سطح قالب نسبت داده شد، که باعث شد فلز مذاب در لبه ریخته‌گری ابتدا جامد شود و یک پوسته جامد را تشکیل دهد. پوسته جامد تحت فشار تغییر شکل پلاستیکی را تجربه کرد و فلز مذاب را تحت فشار ایزواستاتیک قرار داد. در مراحل اولیه ریخته‌گری فشاری، پوسته جامد نازک مستعد تغییر شکل پلاستیک بود که در نتیجه فشار ایزواستاتیک بالایی روی فلز مذاب ایجاد می‌شد و از تشکیل ریز تخلخل در سطوح جانبی و پایینی جلوگیری می‌کرد. با این حال، با پیشرفت انجماد، ضخامت پوسته جامد افزایش یافت و انرژی مصرف شده توسط تغییر شکل پلاستیکی پوسته جامد تحت فشار افزایش یافت. در نتیجه، فشار ایزواستاتیک بر روی فلز مذاب در ناحیه مرکزی کاهش یافته و آن را مستعد تشکیل ریز تخلخل می‌کند.

به طور خلاصه:

1. ریخته‌گری فشاری دندریت‌های α-منیزیم را تصفیه می‌کند، فاز دوم را افزایش می‌دهد و ریزساختار آلیاژ Mg-14Zn-3Al را از ماتریس α-Mg، فاز ط-Mg32(Al,Zn)49 بلوک‌شکل دراز، به فاز دانه‌ای یا اسکلتی از توزیع پیوسته ε-MgZn به فاز دانه‌ای برون دانه‌ای، با یک دانه‌بندی پیوسته تبدیل می‌کند.

2. افزایش فشار ریخته گری فشاری، ریز تخلخل را در ریخته گری های آلیاژی Mg-14Zn-3Al کاهش می دهد. کسر ناحیه ریز تخلخل از 15.67٪ در 0MPa به 0.81٪ در 120MPa کاهش می یابد.

3. افزایش فشار ریخته گری فشاری عملکرد کلی آلیاژ Mg-14Zn-3Al را افزایش می دهد. در 120 مگاپاسکال، استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ به ترتیب 218.1 مگاپاسکال و 5.2 درصد است که نشان دهنده افزایش 13.2 درصدی در استحکام کششی و افزایش 333 درصدی در ازدیاد طول در مقایسه با ریخته گری گرانشی است.