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AZ系镁合金熔体变质与除气：微观机制、工艺优化与性能提升

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业材料的大家族中，镁合金凭借其独特的性能优势，正逐渐崭露头角，成为材料领域的研究热点之一。镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，其密度约为铝的2/3，钢的1/4，同时还具备高比强度、高比刚度以及良好的阻尼性和导热性等特点。这些优异的性能使得镁合金在航空航天、汽车、电子等众多领域展现出巨大的应用潜力，被誉为21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”。

在众多类型的镁合金中，AZ系镁合金（镁-铝-锌系列）由于具有较好的耐蚀性能、铸造性能和力学性能，以及较高的屈服强度，在商业用途中受到了广泛应用。在航空航天领域，为了满足飞行器轻量化和高性能的要求，AZ系镁合金被用于制造飞机的机翼、机身结构件以及发动机部件等，其轻质特性有助于减轻飞行器的重量，提高燃油效率和飞行性能；在汽车工业中，随着对节能减排和提高车辆性能的需求不断增加，AZ系镁合金被大量应用于汽车零部件的制造，如发动机缸体、变速箱壳体、车轮等，不仅可以有效降低汽车的自重，还能提高汽车的操控性和燃油经济性；在电子领域，AZ系镁合金因其良好的电磁屏蔽性能和散热性能，被用于制造手机、笔记本电脑等电子产品的外壳，既能保护内部电子元件免受电磁干扰，又能有效散发设备运行时产生的热量，提高产品的稳定性和可靠性。

尽管AZ系镁合金具有诸多优点，但其在实际应用中仍面临一些亟待解决的问题。其中，熔体质量对合金最终性能的影响至关重要。在熔炼过程中，AZ系镁合金熔体容易出现晶粒粗大的问题，这会导致合金的强度、塑性和韧性等力学性能下降。粗大的晶粒会使合金在受力时更容易产生裂纹，降低其承载能力和抗变形能力，从而限制了其在一些对力学性能要求较高的场合的应用。合金熔体中还常常会含有气体（主要是氢气）和夹杂物，这些杂质会在合金凝固过程中形成气孔、缩松等缺陷，严重损害材料的使役性能。气孔和缩松等缺陷会降低合金的密度均匀性，导致材料的强度和疲劳性能大幅下降，同时还会影响合金的耐腐蚀性，缩短其使用寿命。

熔体变质与除气作为提升AZ系镁合金性能的关键技术手段，具有极其重要的作用。熔体变质处理可以通过添加变质剂或施加外场等方式，细化合金晶粒，改变晶粒的形态和分布，从而显著提高合金的力学性能。细化的晶粒可以增加晶界的数量，晶界作为阻碍位错运动的重要因素，能够有效提高合金的强度和塑性，使合金在承受外力时更加均匀地分布应力，减少裂纹的产生和扩展，提高合金的综合力学性能。而除气处理则可以降低合金中的气体含量，减少微观组织缩松，提高合金的致密性和力学性能以及腐蚀性能。通过去除合金中的氢气等气体，可以避免气孔和缩松等缺陷的形成，使合金的组织结构更加致密，从而提高其强度、硬度、韧性和耐腐蚀性等性能，延长材料的使用寿命。

开展对AZ系镁合金熔体变质与除气的研究具有十分重要的必要性。从理论层面来看，深入研究熔体变质与除气的机制和工艺，有助于揭示镁合金凝固过程中的微观结构演变规律，丰富和完善材料科学的基础理论。通过研究变质剂与镁合金熔体的相互作用机制，以及除气过程中气体的扩散和逸出规律，可以为进一步优化镁合金的性能提供坚实的理论依据，推动材料科学的发展。从实际应用角度出发，该研究能够为工业生产提供更有效的熔体处理工艺和技术参数，提高AZ系镁合金的质量和性能稳定性，降低生产成本，促进其在更多领域的广泛应用。通过优化变质和除气工艺，可以生产出更高质量的AZ系镁合金产品，满足不同行业对材料性能的严格要求，推动相关产业的技术进步和发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1熔体变质研究现状

在AZ系镁合金的熔体变质研究领域，国内外学者进行了大量富有成效的工作，取得了一系列重要成果。在变质剂的研究方面，稀土元素凭借其独特的物理化学性质，成为了备受关注的变质剂之一。有研究表明，在AZ系镁合金中添加Y元素，能够通过固溶强化、析出强化和细晶强化等多种机制，显著提高镁合金在室温以及高温下的强度，同时有效改善其塑韧性。通过在AZ系镁合金中加入适量的Y元素，合金的室温抗拉强度提高了[X]%，屈服强度提高了[X]%，延伸率也有明显提升。在AZ91镁合金中添加Nd元素，发现Nd能够细化合金晶粒，提高合金的室温和高温力学性能，尤其是在高温下，合金的抗拉强度和屈服强度分别提高了[X]MPa和[X]MPa。

碱土金属也在AZ系镁合金的变质处理中展现出独特的作用。Ca元素的加入可以细化晶粒，提高合金的高温性能。在AZ91镁合金中添加Ca后，合金的高温蠕变性能得到显著改善，在一定温度和应力条件下，蠕变速率降低了[X]%。有学者研究发现，Sr元素的添加能够改变Mg