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廖恒斌, 罗杰, 朱顺辉, 刘海亮, 宋长辉, 杜军*. 镁屑燃烧粉末孕育细化镁合金[J]. 中国
有色金属学报, 2025, 35(6): 1835-1845.
研究背景
镁合金熔炼过程易于产生氧化物等夹杂，需要采用真空熔炼或惰性气体保护以避免氧化和降低危害，而完全避免氧化物夹杂也是难以实现。钢铁冶金领域成功发展氧化物冶金技术，通过氧化物夹杂诱发形核以细化晶内铁素体，可抑制大线能量焊接过程奥氏体组织粗化，提高钢材强韧性，实现变“废”为“利”。在
铝合金领域，也可利用氧化物夹杂诱发晶粒形核。挖掘氧化物夹杂在镁合金中的有益化利用，可为镁合金组织细化提供新的思路。实际生产过程中，镁熔体表面与空气接触发生氧化甚至燃烧，在扒渣或搅拌过程中进入镁熔体内部，而关于燃烧氧化夹杂产物对镁合金组织有益化利用的研究鲜见报道。本文提出通过镁屑燃烧的方式获得氧化夹杂，通过外加方式对镁熔体进行孕育处理，探究燃烧氧化夹杂对镁合金晶粒组织的影响规律，并揭示影响机制。
文章亮点
(1)成功实现镁屑燃烧氧化夹杂对镁合金晶粒组织的有益化利用。通过在镁熔体内部引入镁屑燃烧粉末，显著细化Mg-Al系合金组织，但无法有效细化纯Mg晶粒组织，认为溶质元素的生长抑制和成分过冷是实现氧化物孕育细化的关键。(2)证实MgO颗粒是Mg晶粒的形核核心，基于TEM分析结果，提出一种Mg原子按照MgO的FCC结构过渡到HCP结构的形核机制。(3)通过超声协同处理，进一步提高镁屑燃烧氧化夹杂对Mg晶粒的细化效率。
图文解析
图1所示为纯Mg、Mg-12.7Al和AZ31合金镁屑的燃烧产物形貌、XRD衍射图谱和粒径分布。从XRD结果来看，通过燃烧镁屑的方式获得了氧化物和氮化物夹杂颗粒。在纯Mg镁屑燃烧粉末产物中，可以观测到对应于MgO和Mg3N2物相的衍射峰。在Mg-12.7Al和AZ31合金镁屑燃烧粉末产物中，观测到对应于MgO、Mg3N2、AlN、Al2O和MgAl2O4物相的衍射峰。从衍射峰强度占比来看，三种镁屑燃烧粉末产物以MgO为主。从粒径统计结果来看，三种镁屑燃烧粉末粒径分布主要集中在1-14μm。图1 纯Mg 镁屑、Mg-12.7Al镁屑和AZ31镁屑燃烧产物形貌、XRD 谱和粉末粒径分布
图2所示为纯Mg和Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育纯Mg的晶粒形貌。对于未经孕育处理的纯Mg，晶粒呈现为粗大柱状晶形貌。经过纯Mg和Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育处理后，未表现出有效的晶粒细化效果。经过熔体超声处理，纯Mg及孕育处理纯Mg晶粒也表现为粗大柱状晶形貌。总体来看，纯Mg和Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育处理对纯Mg的晶粒不具有明显细化效果。图2 纯Mg和Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育处理纯Mg晶粒形貌
图3和4所示，分别为纯Mg和Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育处理Mg-3Al合金的晶粒形貌与晶粒尺寸变化。经过纯Mg和Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育处理，Mg-3Al合金晶粒发生显著细化，平均晶粒尺寸由739μm分别下降至280μm和297μm。采用超声处理，Mg-3Al合金晶粒形貌未出现明显的细化效果，晶粒尺寸为732μm。对于采用超声协同纯Mg或Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育处理Mg-3Al合金，相应平均晶粒尺寸分别进一步下降至191μm和188μm。图3 纯Mg和Mg-12.7Al镁屑燃烧粉末孕育处理Mg-3Al合金晶粒形貌
图5和6所示，分别为AZ31镁屑燃烧粉末孕育处理AZ31合金的晶粒形貌和晶粒尺寸变化。经过AZ31镁屑燃烧粉末孕育处理，AZ31合金晶粒发生明显细化，相应平均晶粒尺寸由1447μm下降至768μm。采用超声协同AZ31镁屑燃烧粉末孕育处理，AZ31合金晶粒进一步被细化，平均晶粒尺寸由768μm下降至207μm。图5 AZ31镁屑燃烧粉末孕育处理AZ31合金晶粒形貌图6 AZ31镁屑燃烧粉末孕育处理AZ31合金平均晶粒尺寸
为揭示镁屑燃烧粉末孕育细化Mg合金机理，采用扫描电子显微镜对孕育前后Mg-3Al合金进行微观组织观测。图7所示为纯Mg镁屑燃烧粉末孕育前后Mg-3Al合金的SEM形貌与EDS结果。经过孕育处理，燃烧氧化夹杂颗粒被引入到Mg-3Al合金内部。由EDS结果可知，孕育Mg-3Al合金a-Mg晶粒中心区域的夹杂颗粒Mg、O摩尔比接近1:1。结合XRD结果，所观测到的氧化夹杂颗粒应为MgO。图7(g)所示为镁屑燃烧粉末氧化夹杂颗粒，与孕育细化Mg-3Al合金晶粒中心的夹杂颗粒形貌一致。根据经典形核理论，当合金熔体中存在有效的异质形核基底，晶粒优先在异质颗粒表面上形核与长大，被激活成核的异质颗粒总是位于相应晶粒中心区域位置。因此，观测到的位于晶粒中心区域位置的MgO颗粒，应被视为晶粒的形核核心。图7 未孕育Mg-3Al合金(a-c)和纯Mg镁屑燃烧粉末孕育Mg-3Al合金(d-l)SEM和EDS结果
图8所示为FIB-TEM样品形貌、明场像、选区衍射花样和界面高分辨及其快速傅里叶变换照片，其中，TEM样品来自于图7(d)a-Mg晶粒中心区域位置的MgO颗粒与附近区域Mg基体。经过衍射花样标定，由晶面矢量(200)、(020)和(220)确定a-Mg晶粒中心夹杂颗粒为MgO。如图8(e)所示，界面左侧(C区)Mg基体的原子排布与右侧(D区)MgO颗粒的原子排布保持高度一致。最左侧区域(A区)具有清晰的Mg原子排布，然而与界面左侧(C区)的Mg原子排布不同。A区域与C区域之间存在一个原子排布不清晰的Mg原子分布区域(B区)。B区域原子未呈现出规则周期性排列，属于Mg原子从按照FCC晶体结构原子排布到HCP晶体结构原子排布的过渡区域。结合外延生长理论，提出一种Mg原子按照MgO的FCC结构过渡到HCP结构的形核机制。对于氧化夹杂未有效细化纯Mg晶粒组织，主要是缺少了必要溶质元素的生长抑制和成分过冷，无法满足潜在MgO晶核的形核过冷度要求。
图8 晶粒中心区域的MgO颗粒连同α-Mg基体TEM明场像、选区电子衍射花样、MgO/α-Mg 界面高分辨照片及快速傅里叶变换照片
研究结论
(1)镁屑燃烧粉末孕育处理可有效细化Mg-Al系合金。其中，Mg-3Al合金的平均晶粒尺寸从739μm下降至280μm。镁屑燃烧粉末的主要成分为MgO，可作为a-Mg晶粒的有效异质晶核，在凝固过程中为a-Mg提供异质形核基底。(2)镁屑燃烧粉末孕育处理无法有效细化纯Mg，原因在于缺少溶质元素引起的生长抑制作用和额外的成分过冷度，引入的MgO晶核无法被激活成核。(3)采用超声协同孕育处理，使镁屑燃烧粉末孕育细化效果得到提升。其中，孕育处理Mg-3Al合金的平均晶粒尺寸从280μm下降至191μm，主要与氧化物夹杂颗粒的分散性提升有关。
团队介绍杜军，男，贵州省遵义湄潭县人，1975年生，工学博士，教授/博士生导师。以“基于具体需求 立足切实瓶颈 反向推进创新”的科研理念，主要从事新型金属基
复合材料制备及性能控制、铝(镁)合金组织控制与表面改性、新型功能性(导电、导热、低膨胀等)合金开发、轻合金再生利用开发等领域研究工作。其中针对Mg-Al系合金孕育晶核的毒化与免毒化的基础研究工作形成了较为鲜明的研究特色;面向广东区域优势，积极服务企业需求，铝合金表面无铬钝化技术、基于再生的耐磨铝合金和高导热铝合金等的研究工作得以实际应用，特别是5G基站用高导热压铸
铝合金材料已实现批量化生产，效益显著。目前主要关注轻金属功能化与循环再生有害相的有益化利用。已主持和参与各类科研项目近30余项，其中国家重大研发计划课题1项(主持)，国家自然科学基金项目5项(主持)，省市项目近20项，企业委托横向项目10余项，发表论文120余篇，三大索引论文近80篇，申请发明专利45件，获得授权专利32件，发明专利授权率达80%。注重技术转化和应用，与企业合作申请专利10项，转让专利5项，多项发明技术成功实现工程化应用。曾获得广东省科技进步二等奖1项，国家专利优秀奖各2项(第一发明人)。
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