镁合金具有密度低、强度高、刚性好，以及良好的生物相容性、可降解性、促成骨性及与骨组织相近的弹性模量，近年来在生物可降解材料领域受到广泛关注。但力学性能和耐腐蚀性能相对较差限制了其临床应用，因此，提高力学性能和耐蚀性依然是镁合金研究的重要方面。

(资料图)

在镁合金凝固过程中，可以利用物理方法和化学方法来细化晶粒，从而提高合金的力学性能。由于ZK60合金的力学性能较好，且Zn、Zr元素生物相容性好，对人体无毒害作用，因此，选择了以ZK60合金为基体进行研究分析。赵兵等研究表明，在镁合金中加入Gd后可形成Mg3Gd新相，对镁合金的晶粒起到细化作用以及改善镁合金的耐腐蚀性能，且当Gd含量为1%时，合金的耐腐蚀性能最优。章继涛研究Gd对Mg-6Zn-Zr合金的组织和耐腐蚀性能的影响，发现Gd的添加有效细化了合金的晶粒。因此，可以以ZK60系合金为基体，添加适量的Gd，设计新型Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金，从而进一步改善镁合金的力学性能。在镁合金凝固过程中，合金经过交流磁场处理可以细化凝固组织，同时，其力学性能也得到改善，且交流磁场具有高效、环保、易操作等特点，近年来被广泛应用到镁合金中。胡世平等研究表明，交流磁场可以细化AZ31镁合金的凝固组织，其压缩性能也显著提高。赵锟等研究表明，AZ91D镁合金经过交流磁场处理后第二相的体积分数提高，且随着磁场强度提高，作用效果会更加明显。许光明等研究发现，交流磁场对ZK60镁合金的晶粒有细化作用，随着溶于合金基体中的Zn和Zr的含量上升，网状的第二相沿晶界析出。班春燕等研究发现，经过交流磁场处理过的AZ80镁合金，合金的晶粒尺寸明显下降，晶界明显变窄。

基于交流磁场对镁合金细化效果好且具有独特的无接触、无污染等特点，南昌航空大学陈乐平教授团队在2023年第43卷第03期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“交流磁场对Mg-Zn-Zr-Gd合金组织及力学性能的影响”的文章，文章研究了交流磁场处理工艺参数(交流电压、交流频率和模具温度)对铸态Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金凝固组织及性能的影响。结果表明,交流磁场可以细化Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金的凝固组织。当交流电压在0~300V 内,随着交流电压增加,合金的晶粒尺寸逐渐减小。当交流频率在0~10Hz内,随着交流频率增加,合金的晶粒尺寸先减小后增大。当模具温度在200~600 ℃内,随着模具温度增加,合金的晶粒尺寸也是先减小后增大。当交流电压为300V,交流频率为5Hz,模具温度为400℃时,合金的综合力学性能显著提高,此时合金的抗压强度为259.53MPa,压缩率为20%,与未经过交流磁场处理的合金相比,分别提高了32.1%和11.7%。

【试验方案】

试验材料为Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金， Zn、Zr、Gd的含量分别为6%，0.5%，1%（质量分数），其中Zr、Gd分别为Mg-30Zr、Mg-30Gd中间合金的形式添加。除去合金表面的氧化层，用锡纸将抛光好的金属包裹好，放置于200 ℃左右的烘箱中除去水蒸汽，在坩埚内表面均匀涂抹3次涂料，防止坩埚和金属发生反应。涂料配比按滑石粉：水：水玻璃为3：2.5：2进行调配，然后将坩埚放入电阻炉中烘干保温。当电阻炉温度达到660 ℃时将镁加入到坩埚中，盖上防护罩并通上99.5 %的CO2+0.5%的 SF6混合保护气，然后继续加热至镁熔化。当温度升高到720 ℃时加入Mg-30Gd合金、Zn并搅拌。当温度升到750 ℃时加入Mg-30Zr合金并搅拌。保温10 min之后搅拌并除去浮渣后浇注，从炉中取出预热好的石墨铸型放置在交流磁场线圈中，将加热好的熔体倒入其中，浇注过程中始终要用99.5%的CO2+0.5%的SF6混合保护气对熔体进行吹气。待将金属液浇入铸型后立即启动装置，调至相应的参数，待石墨铸型中的金属液凝固，关闭装置，取出石墨铸型，待铸锭冷却后取出。

试验参数见表1。所用交流磁场处理装置见图1。采用自行研制的交流磁场装置，其中可控开关由时间控制器和固态继电器组成。交流电压通过变压器调节，放电频率通过可控开关调节。石墨铸型尺寸尺寸为内径50mm、外径60 mm、高100 mm。

图1 交流磁场处理装置示意图

从铸锭中切割取Φ8×3mm的圆棒，用镶嵌机制备成金相试样，然后试样用砂纸打磨后进行抛光。采用苦味酸溶液腐蚀试样的抛光面，腐蚀15 ，腐蚀完成后立即用清水进行清洗，然后用沾有酒精的棉球进行擦拭，再用吹风机吹干，避免氧化。使用XJP-6A光学显微镜来观察金相试样的显微组织，并用S-Viewer软件对微观组织进行晶粒大小测试。使用扫描电镜SEM对显微组织进一步分析，同时结合扫描电镜的附件能谱仪EDS分析合金化学成分。使用WDW-200D型万能材料实验机进行力学性能测试。

【图文结果】

经过交流磁场处理后， Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金的凝固组织得到有效改善。交流电压在0~300 V内，随着交流电压增加，凝固组织逐渐细化，晶粒尺寸逐渐减小，当交流电压为300 V时，晶粒的细化效果最好，晶粒的平均尺寸由未经过交流磁场处理时的1 099 µm细化至512 µm。

交流磁场处理时，当交流频率在0~10 Hz内，随着交流频率增加，Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金的晶粒尺寸先减小后增大，当交流频率为5 Hz时，晶粒尺寸最小。

模具预热温度在200~600℃内，随着温度升高，Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金晶粒尺寸先减小后增大，模具温度为400℃时，晶粒尺寸最小。

经过交流磁场处理后，Mg-6Zn-0.5Zr-1Gd合金的力学性能明显提高。在300V、400℃和5Hz的交流磁场处理条件下，合金的力学性能最好，抗压强度为259.53MPa，压缩率为20%，相比于未处理时合金的抗压强度和压缩率分别提高了32.1%、11.7%。

图2 不同交流电压下合金的微观组织

（a）未交流处理（b）100V（c）200V（d）300V

图3 不同交流电压下合金的晶粒尺寸

图4 不同交流频率下合金的组织形貌（a）未交流处理（b）2 z（c）5Hz（d）10Hz

图5 不同交流频率下合金的晶粒尺寸

图6 不同模具预热温度下合金的组织形貌（a）200℃（b）400℃（c）600℃

图7 不同模具预热温度下合金的晶粒尺寸

（a）未施加交流处理下合金第二相形貌 （b）300V、400℃、5Hz处理下合金第二相的形貌

图8不同处理方法下合金第二相形貌

图9 未处理与处理合金的第二相局部放大SEM图

（a）未交流磁场处理（b）未交流磁场处理；（c）在300V、400℃、5Hz下处理（d）在300V、400℃、5Hz下处理

图10不同交流参数下合金的应力应变曲线

图11 不同处理方式下合金的抗压强度

图12 不同处理方式下合金的压缩率

【文献引用】

毛训聪,陈乐平,彭聪.交流磁场对Mg-Zn-Zr-Gd合金组织及力学性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2023,43(3):399-404.

MAO X C,CHEN L P,PENG C.Effects of AC magneticfield on mechanical properties and microstructure of as-cast Mg-Zn-Zr-Gdalloy[J].Special Casting& Nonferrous Alloys,2023,43(3):399-404.