独特的热处理工艺对超薄壁厚触变模压复合轻质AZ91D镁合金笔记本电脑外壳的微观结构和机械性能的改善

《Journal of Magnesium and Alloys》：Enhancement of unique heat treatment process on microstructure and mechanical properties of thixomolded complex lightweight AZ91D magnesium alloy laptop shell with ultra-thin wall thickness

　　
本文以超薄轻量化AZ91D镁合金笔记本壳为研究对象，系统探讨了流变铸造结合新型热处理工艺对材料性能的协同强化机制。研究创新性地将传统流变铸造工艺与低温短时固溶处理（380℃/0.5h）及梯度时效处理（180℃/4h）相结合，成功突破镁合金延伸率低于8%的行业瓶颈，实现抗拉强度351MPa（提升24%）、延伸率7.2%（提升157%）的突破性性能组合。

1. **工艺创新与材料特性突破**
流变铸造工艺通过半固态浆料（580℃）的高压力（15MPa）和快速凝固（210℃成型），在0.6mm超薄壁厚中实现了：
- 晶粒尺寸细化至4.1μm（传统铸造的1/3）
- 孔隙率控制在0.8%以下（优于航空铝材标准）
- 表面粗糙度Ra<0.8μm（达到镜面抛光水平）
这种致密化微结构为后续热处理强化奠定了基础。特别值得关注的是，通过精确控制浆料剪切速率（2.5m/s）和模具温度梯度，成功抑制了β-Mg17Al12相的粗大沿晶分布，使该相由传统铸造的80-120μm降为纳米级（10-40nm）析出相。

2. **热处理协同强化机制**
（1）固溶处理阶段：
采用380℃短时固溶（0.5h）实现：
- β相完全溶解率98.7%（传统工艺需5-8h）
- 硬化指数（HI）提升至2.1（从1.3显著提高）
- 残余应力降低42%（X射线衍射测量）
该参数设置巧妙平衡了原子扩散与晶界迁移，既保证相均匀化又避免晶粒过度长大。

（2）时效处理阶段：
180℃梯度时效（4h）创造性地：
- 在5.3μm主晶粒中形成3.9%体积分数的纳米析出相（β-Mg17Al12:15-25nm；Mg16Al12Zn:20-40nm；Al8Mn5:10-30nm）
- 析出相间距优化至50-80nm（理想强化区间）
- 析出相体积分数梯度控制（沿厚度方向从3.2%增至4.8%）
这种多尺度析出体系实现了强度（σ0.2达201MPa）与塑性（延伸率7.2%）的同步提升。

3. **复合强化机制解析**
（1）析出相协同强化：
- β-Mg17Al12相（长径比1:4）作为主要阻碍相，其{112}晶面与基体形成28°-32°晶界角度
- Mg16Al12Zn相（立方体结构）在位错缠结处优先析出
- Al8Mn5相（针状结构）沿晶界定向生长，形成连续强化膜
三重析出相的协同作用使屈服强度提升8.6%，较传统工艺（单相β相强化）强度提升幅度提高37%。

（2）织构动态演化：
- 初始流变铸造获得基面取向（<0001//ND）为主，取向分布半宽角达42°
- 固溶处理后（380℃/0.5h）取向分布半宽角扩大至58°，形成多取向均匀化
- 时效处理后（180℃/4h）通过再结晶形成15°-25°的随机取向分布，强度提升8.0%源于织构各向异性降低

（3）缺陷动态调控：
- 固溶处理使原始缩松缺陷（>50μm）减少92%，残余孔洞尺寸控制在8μm以下
- 时效过程中析出相界面迁移率提升至传统处理的1.8倍，主动修复微孔
- 最终成品中0.6mm超薄部位孔隙率<0.5%（航空标准要求<1%）

4. **性能提升量化分析**
通过Hall-Petch方程与Taylor公式修正模型计算：
- 细晶强化贡献34.4%（晶粒尺寸从8.2μm降至5.3μm）
- 析出相强化41.3%（纳米级相分布密度达5.8×10^14个/mm3）
- 位错强化16.3%（位错密度达8.8×10^13个/mm2）
- 织构优化8.0%（Schmid因子由0.38提升至0.42）
值得注意的是，析出相与晶界强化的协同效应使强度提升效率比单一强化机制提高23%。

5. **产业化应用价值**
（1）设备升级：配合自主研发的Lijin TPI流变铸造系统（能耗降低50%，注射量减少50%），实现复杂曲面的一次成型
（2）工艺优化：开发出"温度-时间"双参数梯度控制算法，使工艺窗口从传统3σ范围扩大至5σ（CPK=1.67）
（3）成本控制：较传统压铸工艺减少30%原料浪费，表面处理成本降低45%
（4）性能对比：达到波音747舷窗框架的力学性能（UTS 345MPa，EL 5.8%），但重量减轻80%

6. **技术延伸方向**
（1）构建"材料-工艺-性能"数字化映射模型，通过机器学习优化参数组合
（2）开发梯度热处理设备，实现从0.6mm到2mm不同壁厚部件的智能调控
（3）拓展至汽车轻量化领域：已验证成功制备0.8mm壁厚齿轮箱壳体（UTS 320MPa，EL 6.5%）
（4）表面功能化：在时效处理中同步引入纳米压印技术，使表面抗划伤性能提升200%

本研究为镁合金轻量化提供了新范式，其核心创新在于：
- 建立了超薄壁（<1mm）部件的热处理损伤阈值模型（ΔT<15℃）
- 开发出基于相场模拟的工艺优化算法（收敛速度提升40倍）
- 首创"三阶段协同时效"（固溶→梯度时效→微纳米复合）工艺
- 实现从实验室样品到量产部件的完整技术转化（已通过ISO9001认证）

该技术突破为镁合金在高端消费电子（如柔性显示支架）、航空航天（如卫星支架）等领域的应用提供了可靠解决方案，预计可使镁合金部件在汽车轻量化中的成本降低35%，性能提升25%。研究团队正在开发配套的智能热处理设备，目标将综合性能提升至UTS 400MPa/EL 10%，推动镁合金在C919等新型航空器中的应用。