研究了真空度對液態AZ91D鎂合金的氧化燃燒及蒸發行為的影響，并對AZ91D鎂合金在不同真空條件下的試樣進行能譜分析及保護膜表面形貌觀察。結果表明，真空度為50kPa是AZ91D鎂合金真空差壓鑄造的臨界值。當真空度<50kPa時，液態AZ91D鎂合金表面均會出現不同程度的氧化燃燒現象，且真空度越低，鎂液蒸發越嚴重；真空度≥50kPa時，試樣中鎂未減少，且鎂液保護的表面形貌逐漸趨于連續、致密，較好地抑制了鎂液氧化燃燒現象。當真空度<50kPa時，在保護膜的表面形貌中存在明顯的“孔洞”、“裂紋”。通過鎂元素質量分數與真空度之間的關系建立了數學模型，該模型對AZ91D鎂合金真空差壓鑄造具有參考意義。適合于AZ91D鎂合金真空差壓鑄造的最佳真空度為50kPa。

　　鎂及其合金的密度小、質量輕、比剛度、比強度大，且有著良好的阻尼性能、機械加工性能及可回收性，在降低汽車能耗和電子通信產品的輕量化上有著顯著的優勢。而AZ91D鎂合金化學性質活潑及蒸氣壓高一直以來都是生產過程中所面臨的難題。液態AZ91D鎂合金燃燒及蒸發會導致合金成分變化，影響AZ91D鎂合金產品的性能。目前AZ91D鎂合金零件的成形主要有壓力鑄造和半固態成形等，這些成形工藝還不能很好地滿足AZ91D鎂合金產品的高品質要求。因而，高質量復雜薄壁AZ91D鎂合金鑄件的精密成形技術成為了國內外研究的熱點之一。

　　真空差壓鑄造一直以來僅局限于鑄造航空類鋁合金鑄件，而其在鑄造AZ91D鎂合金上同樣具有潛在的優勢。嚴力等研究了AZ91D鎂合金調壓鑄造技術，確定了混合氣體中SF6 的最低用量，證實了調壓鑄造技術在AZ91D鎂合金生產中的優越性。Fu P H 等提出了AZ91D鎂合金低壓鑄造階段大氣條件下的保護氣體可作為充型加壓氣體，通過優化低壓鑄造工藝參數，較好解決了AZ91D鎂合金高壓鑄造階段易產生的氣孔問題，使得鑄件性能得以改善；Wu H B等將AZ91D鎂合金與低壓消失模鑄造技術相結合，通過控制充型氣體流量的大小來觀察液態AZ91D鎂合金的充型特征；戴永年等研究了Zn、Cd等金屬的蒸發速率與溫度和壓力間的關系，提出了金屬的蒸發速率隨著壓力的增大呈現減小的趨勢；張金玲等在真空熔煉爐內研究了AZ91D鎂合金中Mg元素的蒸發行為；李明照等對AZ31D鎂合金在真空熔煉時的蒸發行為進行了分析，探討了影響其力學性能的主要因素。雖然對AZ91D鎂合金反重力鑄造能力及合金的蒸發行為進行了研究，而對于液態AZ91D鎂合金在真空差壓鑄造中真空度對其氧化燃燒及蒸發行為的研究尚未有報道。

　　本課題通過研究真空度對液態AZ91D鎂合金氧化燃燒及蒸發行為的影響，從而確定適合于鎂合金真空差壓鑄造的最佳真空度，為AZ91D鎂合金真空差壓鑄造提供技術參考。

1、試驗內容及方案

　　試驗材料為AZ91D 鎂合金，其化學成分見表1。每次試驗均采用鑄鐵坩堝熔煉400g的AZ91D鎂合金。整個試驗環節液態鎂均采用SF6+CO2+干燥空氣混合氣體保護，混合氣裝置由實驗室自主設計裝配。

表1　AZ91D鎂合金的主要化學成分%

　　試驗方案：在保護氣體作用下熔煉AZ91D鎂合金至(720±10)℃時，密封下罐，停止通入保護氣體，啟動真空差壓設備，抽至所設真空度，通入保護氣，下罐將以約10kPa/s速率升壓后卸罐。試驗階段通入的保護氣體成分比例，μ(干燥空氣)∶μ(CO2)∶μ(SF6)=73.75∶27.43∶1；采用數碼相機拍攝實物照片，采用Quanta 200型環境掃描電鏡及能譜儀對制取后的試樣進行能譜測試及表面形貌觀察。

2、試驗結果與分析

　　由于SF6 與Mg液作用生成的MgF2 存在于MgO間隙中，常溫常壓及高溫下MgF2 化學結構穩定，可提高表面膜的致密性；同時，混合氣體中摻入的CO2 氣體與液態鎂合金反應生成帶正電的無定型碳，存在于MgO-MgF2 表面膜的空隙中，進一步改善和加強SF6的保護效果；而干燥空氣作為載流氣體，是SF6 和CO2兩種反應氣體對Mg液起到保護效果的關鍵因素。因此，試驗中采用SF6+CO2+干燥空氣的合適比例可安全熔煉AZ91D鎂合金。

　　2.1、真空度對液態AZ91D鎂合金氧化燃燒的影響

　　圖1為不同真空條件下，通入保護氣體時液態AZ91D鎂合金氧化燃燒的宏觀特征。單獨從液態AZ91D鎂合金表面的宏觀特征看，真空度為50kPa是最適合于AZ91D鎂合金真空差壓鑄造的真空度。真空抽的越高，液態AZ91D鎂合金氧化燃燒的趨勢越大，見圖1a中X 區域，整個液態AZ91D鎂合金表面均布滿了呈菜花狀的燃燒點；圖1b中Y 區域中燃燒點均分布在坩堝壁處。通常情況下液態AZ91D鎂合金表面的燃燒點大部分是由坩堝壁處的燃燒點向四周擴散的，這可能是由于坩堝壁的溫度高于中心位置的溫度，所以在坩堝壁附近更容易有燃燒點產生。燃燒點在剛開始出現時，易產生耀眼的亮光，見圖1d。在抽真空環節中，由于真空抽的越高，所需時間也會越長，而液態AZ91D鎂合金長時間處于未保護狀態，表面極易有燃燒點出現；當真空度≥50kPa時，表面狀態維持良好，無燃燒點現象出現，見圖1e和圖1f。

圖1　不同真空度條件下液態AZ91D鎂合金氧化燃燒的宏觀特征

　　2.1.1、保護膜表面形貌

　　圖2為不同真空度條件下保護膜的表面形貌。在不同的真空度條件下，從保護膜的表面形貌來進一步分析真空狀態對鎂液氧化燃燒的影響。

圖2　不同真空條件下保護膜表面形貌

　　從圖2a和圖2b中可以看出，鎂液所處真空度越高，保護膜的表面形貌疏松且不連續，表面褶皺現象較多。如圖2a中A 區域存在兩處菜花狀燃燒點的微觀形貌，圖2b中B 區域為明顯的“孔洞”特征。通過能譜測試，氟元素未被檢測出，可進一步證明該處表面膜存在不連續的現象；同樣，對圖2c中C、D 兩處區域做相同的測試，檢測結果相當；圖2d中的F 是明顯呈現褶皺現象的區域，E 區域有著“裂縫”特征，是由于氟元素含量也相對較少，無法構成連續致密的保護膜。這些現象的存在證明了液態AZ91D鎂合金的保護膜在高真空條件下不能良好維持，進而引起鎂液的燃燒；而當真空度為50kPa時，試樣表面形貌致密，表面形貌中有著白色的“云霧狀”，見圖2e；隨著真空度的降低，表面形貌更加完整致密，白色的“云霧狀”現象也逐漸消失，致密的保護膜對鎂液有較好的阻燃效果。試驗后期對抽真空至50kPa、60kPa的保護膜試樣的表面形貌進行能譜測試，結果證實其與大氣環境中同樣氣體成分的保護膜試樣的組織成分相近，進一步證明抽真空至50kPa、60kPa下Mg液表面結構未被損壞。

　　2.2、真空度對液態AZ91D鎂合金蒸發行為的影響

　　通過對不同真空度條件下的液態AZ91D鎂合金制樣后進行能譜測試，從而判斷在不同條件下AZ91D鎂合金的蒸發程度。表2為真空度條件下試樣中Mg，Al，Zn　3種元素的均值。

表2　不同真空條件下試樣所含主要元素含量%

　　表2中，隨著Mg液所處真空度越高，試樣中Mg的含量下降也越為嚴重，真空度為50kPa、60kPa時Mg含量與原始AZ91D鎂合金中鎂含量(90.09%)相比差距不大，Al和Zn兩種元素的質量分數差距也不明顯，說明此時液態AZ91D鎂合金無蒸發現象產生。低真空條件下表面膜的完整致密阻止了鎂離子向外界的擴散。當AZ91D鎂合金所處真空較高時，Mg的含量呈現降低的趨勢，真空度越高，含量下降越多；同時，Al和Zn兩種元素的含量隨著真空度的提高，含量隨之升高，這是由于試樣中Mg的蒸發引起的。Mg蒸發越嚴重，Al、Zn的含量就會越高。而當AZ91D鎂合金中Al含量超過9%時，鑄件組織中粗大的γ-Al12Mg17相數量就會增多，降低鑄件的力學性能；Zn的含量>2% 時，AZ91D鎂合金鑄件中的縮孔、縮松顯著增加。真空度為40kPa時，Al含量達10.15%，真空度為30kPa時，Al含量達13.63%，Zn含量為2.05%，且隨著真空度的進一步提高，鎂元素質量分數越低，Al、Zn含量顯著增長。當超過一定量時將會嚴重影響AZ91D鎂合金鑄件的力學性能。以真空度為30kPa為例，試驗階段大約有18.5mL的Mg蒸發。真空差壓鑄造階段，這些Mg蒸氣一旦與充型氣體中的空氣反應會生成大量的熱量，同時蒸氣進入抽真空管道凝結后對抽真空的影響也是不利的。所以應在真空差壓鑄造環節合理地控制液態AZ91D鎂合金的蒸發行為。圖3為真空度與Mg含量之間的關系曲線。

圖3　不同真空條件下Mg含量與真空度間的關系曲線

　　從圖3可以看出，隨著真空度由高向低轉變，Mg含量先呈增長趨勢，且增長速度逐漸變得緩慢，達到一定值后，基本保持不變，即當Mg液所處真空度≥50kPa時，試樣中Mg含量與原始AZ91D鎂合金中Mg含量基本一致。

　　在試驗過程中，對圖3中的原始曲線進行擬合，得到：

　　式中，y 為Mg質量分數，%；x 為真空度，kPa。液態AZ91D鎂合金所處真空度越高，其蒸發程度愈嚴重，真空差壓鑄造中液態AZ91D鎂合金在抽真空環節的蒸發氣體不僅會與充型氣體反應引發事故，而且一旦在抽真空管道凝結會堵塞管道，這樣對于抽真空及鎂液充型均不利；同時，AZ91D鎂合金中Mg的蒸發導致Al、Zn含量的增加，從而降低AZ91D鎂合金產品的品質。所以，試驗需在不同真空條件下測試Mg液的蒸發程度，獲取最佳真空度，以此來降低Mg液的蒸發對真空差壓鑄造所產生的不利影響。

3、結論

　　(1)當真空度低于50kPa時，Mg液表面均會出現不同程度的氧化燃燒現象；高于50kPa，Mg液表面狀態良好；真空度的降低使得Mg液保護膜的表面形貌逐漸趨于連續、致密，能較好地對液態AZ91D鎂合金起到阻燃效果。

　　(2)試樣中Mg含量隨著真空度的升高而加速下降，真空度≥50kPa，試樣中Mg含量與原始AZ91D鎂合金中Mg含量相當；真空度<50kPa，試樣中Mg含量降低；

　　(3)液態AZ91D鎂合金中鎂元素的質量分數與真空度間的關系擬合方程為，

　　(4)適合于AZ91D鎂合金真空差壓鑄造的最佳真空度值為50kPa。