引言
Mg-Al 系鎂合金具有較高的室溫強度、優良的鑄造工藝效能和良好的耐蝕性等優點，是鎂合金領域研究和應用的重點[1-2]。目前普遍認為，低成本的鹼土元素Ca 和Sr 對鎂合金的蠕變效能改善有益[3-6]。合金中新增Ca 能使鎂合金的一些效能得到提高，並使它們的高溫蠕變效能和高溫硬度得以一定程度的改善。但是，由於存在不可忽視的鑄造缺陷，如冷隔、熱裂和粘模問題，限制了其進一步應用[7]。Sr 在Mg-Al 系合金中的合金化作用機制同Ca 類似，國外也已開發出效能較好的AJ 系列合金[8]。但是此類合金的熔化及澆注溫度較高，壓鑄條件苛刻，且合金中含有大量Sr 元素，其價格也會高於以鈣和混合稀土為主要成分的合金價格。國內外學者也研究了在Mg-Al 系合金中加Ca 後，再新增質量分數1%～4%的Sr 來改善Mg-Al-Ca 合金各方面效能的不足[9]。儘管如此，僅從Sr 的含量方面對此類合金進行評估，其仍擺脫不了上述AJ 系列合金的缺陷。Sr 作為一種變質、修復劑早已在Al 合金(特別是Al-Si合金)中廣泛應用[10-13]。該元素對合金的基體和二次相的形態、數量和分佈都有明顯的改善。
因此，考慮在Mg-Al-Ca 合金中新增一定量的Sr (質量分數0.05%～1%)來對鎂合金的基體和二次相的形態、數量和分佈進行變質、修復，以期改善Mg-Al-Ca 合金的不足，提高合金的耐熱性及合金的各方面綜合性能，開發出真正低成本、高強度及高耐熱性的鎂合金。
1 實驗材料及方法
配製合金的主要原料(純度)為：鎂(99.98%)，鋁(99.6%)，鋅(99.9%)，電解錳(95%)，鍶以Al-10%Sr 中間合金的形式加入。實驗合金的成分見表1。合金熔鍊過程用RJ2 號熔劑阻燃、精煉，之後在740 ℃下澆鑄到預熱250 ℃的金屬模中。
合金的蠕變效能用GWTA304 高溫蠕變持久試驗機測試。蠕變試樣按ASTM 標準加工，其標距尺寸為φ10 mm×50 mm。測試在200 ℃/56 MPa 的物理條件下進行，各試樣恆溫持續載入時間均為100 h。
利用Leitz-MM-6 臥式金相顯微鏡和JEOL JSM-5600LV 型掃描電鏡(SEM)分析合金的組織。
2 結果
2.1 合金的鑄態組織
是AM80-1.3Ca 合金經Sr 變質後的金相組織。AM80-1.3Ca 合金晶界上分佈著連續網狀的二次相。當Sr 的質量分數為0.1%時，晶界處二次相有少許離散，但大部分還是呈聚集塊狀分佈。當Sr 的質量分數為0.2%時，二次相變成短棒狀或顆粒狀，且基本呈彌散分佈狀態。當Sr 的質量分數增至0.3%時，二次相離散分佈程度進一步加大，但其形態卻變成了長條狀或者針狀。當Sr 的質量分數為0.5%時，晶界處二次相又重新大致呈網狀分佈，但網狀程度較輕。
2.2 合金的蠕變效能
是本實驗系列合金在200 ℃/56 MPa 條件下的蠕變曲線分別是由合金蠕變曲線統計出的'100 h 內蠕變總延伸率和第2 階段蠕變速率(穩態蠕變速率)。由可知，AM80-1.3Ca 合金的穩態變形速率和100 h 內的蠕變延伸率分別為3.5×10-9 s-1 和1.3%。
在AM80-1.3Ca 合金的基礎上，新增0.2% Sr 後，合金的抗蠕變性有所提高，但幅度不大。
當Sr 的質量分數增至0.3%時，合金的抗蠕變性突然下降，其穩態蠕變速率和100 h 蠕變數分別達7.1×10-9 s-1 和2.3%。當Sr 的質量分數為0.5 時，合金的穩態蠕變速率和100 h 蠕變數又分別降至1.7×10-9 s-1 和0.8%，此時AM80-1.3Ca-0.5Sr 合金的抗蠕變性為本實驗合金系中最優。
3 分析討論
在 Mg-Al 系合金AM80 中，新增一定量的Ca 可對合金組織中的物相的組織晶粒度產生較大的影響[14-15]；而在AM80-Ca 合金中加入一定量的變質劑Sr，合金的組織也將產生較明顯的變化。據筆者前期對AM80-Ca-Sr 合金組織的研究結果可知，在AM80-1.3Ca 合金的組織由基體Mg 和一定量的晶界相Al2Ca 和Mg17Al12 相組成。其中Al2Ca 相系高熔點相，對合金耐熱性的提高有利，Mg17Al12 相系低熔點共晶相，對合金耐熱性的提高不利。0.1%～0.5%Sr 對AM80-1.3Ca 合金中Al2Ca 相有較強的變質作用。通過Sr 對Al2Ca 相顆粒的吸附和變質作用，使得該相由類似骨骼狀逐漸變為小塊狀或條狀，彌散分佈在晶界處。隨Sr 的質量分數由0.1%增至0.5%，基體中Al 原子的固溶度逐漸增加，降低了合金凝固時剩餘液相中Al 原子分數，從而進一步抑制了β-Mg17Al12 相的析出，同時也提高了Al2Ca 相在晶界處的體積分數。加Sr 後，AM80-1.3Ca 合金組織中高熔點相Al2Ca 的增加和低熔點相Mg17Al12 的減少對提高合金耐熱性非常有利。