Y對Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金組織和性能的影響

張建新， 高愛華， 郭學(xué)鋒

（1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000;2.河南理工大學(xué)文法學(xué)院，河南焦作454000;3.河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南焦作 454000）

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高的優(yōu)點，有“21世紀(jì)綠色環(huán)保工程材料”的美稱。近幾年，鎂合金的開發(fā)異常迅速，眾多研究者從事高性能鎂合金材料研究，如重慶大學(xué)彭建、潘復(fù)生等人研究了稀土Y對Mg-2.0Zn-0.3Zr鎂合金組織性能的影響，中南大學(xué)李慶波、周海濤等人研究了Mg-Y-Zn-Zr合金的結(jié)晶組織及高溫力學(xué)性能，中國科學(xué)院金屬研究所汪彬、楊院生等人研究了脈沖磁場對Mg-Gd-Y-Zr合金凝固過程及力學(xué)性能的影響等等［1～3］，鎂合金的研究推動了鎂合金材料在航空航天、高速軌道交通、電子通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用價值與發(fā)展，并形成系統(tǒng)的理論知識，可以說鎂合金是當(dāng)今社會發(fā)展最快的金屬材料之一［4～6］。但生產(chǎn)實際中鎂合金的應(yīng)用遠(yuǎn)不如鋼鐵和鋁合金材料廣泛，其中主要原因是由于鎂合金的強(qiáng)度偏低、高溫力學(xué)性能較差、抗腐蝕性能不佳等［7，8］。合金元素 Al與基體 Mg形成有序固溶體，能有效提高合金的室溫強(qiáng)度、改善鑄造性能，但含Al鎂合金在凝固過程中會形成β-Mg17Al12相，該相的高溫力學(xué)性能較差，為了彌補(bǔ)Al的不足之處，通常加入適量Zn提高合金的高溫力學(xué)性能，加入少量Sb改善合金的鑄態(tài)組織。本工作以Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金為研究對象，分析了0～2.5%的稀土Y對合金顯微組織、力學(xué)性能及腐蝕性能的影響，并闡述了Y元素的作用機(jī)理。

表1 鎂合金材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 The chemical ingredients of magnesium alloys（mass fraction/%）

1 實驗材料與方法

在井式電爐中熔煉相應(yīng)的合金試樣，采用0.5%的SF6+CO2（體積分?jǐn)?shù)）混合氣體保護(hù)，主要原料是高純Mg，99.9%的Zn，99.9%的Al及99.95%的Sb，稀土Y元素采用Mg-10Y中間合金形式加入，實驗方案及化學(xué)成分見表1。合金熔體在760℃經(jīng)過保溫后澆鑄到鐵模中，從鑄錠的相同部位截取金相試樣，用4%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液做腐蝕劑，采用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織，在萬能材料試驗機(jī)上拉伸線切割標(biāo)準(zhǔn)試件，用HY（RC）型高溫蠕變持久強(qiáng)度試驗機(jī)測定試樣的蠕變性能，用全浸腐蝕法測試合金的耐蝕性能。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 Y對顯微組織的影響

按照實驗方案，分別向鎂合金熔體中加入0.5%，1.0%，1.5%，2.0%及2.5%的稀土Y，觀察試樣的金相組織，與未添加Y的試樣對比可知:少量稀土Y對合金鑄態(tài)組織的作用不明顯，細(xì)化效果是局部的，1%的Y對Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金組織有強(qiáng)烈細(xì)化作用，晶粒平均直徑約在30μm，過量加入Y時合金的鑄態(tài)晶粒變化不大，晶粒尺寸維持在50μm左右，而且在晶界處出現(xiàn)明顯的元素偏聚現(xiàn)象。試樣鑄態(tài)組織的金相顯微照片如圖1所示。

圖1 不同加入量的稀土Y對Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb鑄態(tài)組織的影響Fig.1 The grain refining effects of different Y contents on the as-cast Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb alloys（a）0.5%Y;（b）1.0%Y;（c）2.0%Y

Y對Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金鑄態(tài)組織的細(xì)化機(jī)理，可從以下幾個方面分析:一是根據(jù)元素的化學(xué)性質(zhì)可知，合金元素Al，Zn，Sb與Y的電負(fù)性差值明顯大于基體（見表2），通常情況下優(yōu)先與稀土Y反應(yīng)，生成高熔點的金屬間化合物Al2Y，Mg3Zn6Y，Y5Sb3（這些新相的生成與Y含量、合金元素含量有密切關(guān)系，各種元素之間的交互作用極為復(fù)雜），這些新生成的稀土相可作為熔體的異質(zhì)結(jié)晶核心，使合金組織得到細(xì)化;二是在非平衡結(jié)晶條件下，溶質(zhì)原子Al，Zn，Sb和Y由于自身的偏析，被推移到固液結(jié)晶面前沿富集，增大了熔體的成分過冷，加之生成的稀土相在晶界分布，阻礙了液相原子向固相中擴(kuò)散，起到了抑制晶粒長大的作用;三是稀土Y的化學(xué)性質(zhì)活潑，屬于表面活性元素，很容易與其他元素結(jié)合，除雜效果較好，并能有效降低固液面的表面張力，使臨界形核半徑減小，易于形核，使鑄態(tài)組織得到細(xì)化。實驗中發(fā)現(xiàn)1.0%的稀土Y對合金細(xì)化效果顯著，合金顯微組織均勻細(xì)小。

2.2 Y對力學(xué)性能的影響

研制的Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金材料，室溫下的鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度為225MPa，在250℃時抗拉強(qiáng)度僅為85MPa。為了改善該合金的力學(xué)性能及耐高溫性能，實驗中對不同加入量的含Y合金做了詳細(xì)研究，并測試了不同試樣的強(qiáng)度指標(biāo)及蠕變性能。具體方法為:分別測量試樣在20℃，150℃與250℃的抗拉強(qiáng)度，測量含Y為0.5%，1.5%與2.5%的合金在200℃/80MPa條件下的蠕變曲線（分別見圖2、圖3）。結(jié)果表明:稀土Y對該合金的力學(xué)性能影響顯著，隨著Y含量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，Y的最佳添加量在1.5%左右，最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)290MPa;隨著Y含量的增加，合金的耐高溫性能得到有效改善，合金的熱穩(wěn)定性有加強(qiáng)趨勢，相對于未加入Y元素的材料，其工作溫度可在原來基礎(chǔ)上提高150℃，在高溫250℃時抗拉強(qiáng)度仍保持在183MPa。

表2 合金中各元素的電負(fù)性和原子半徑比較Table 2 Electronegativity and atomic radius of elements in magnesium alloys

一般鎂合金材料的力學(xué)性能與組織的均勻性、晶粒的大小、強(qiáng)化相的數(shù)量及分布狀況有密切關(guān)系，使用環(huán)境溫度的升高，會導(dǎo)致強(qiáng)度下降，熱穩(wěn)定性減弱，發(fā)生高溫蠕變現(xiàn)象。對于Y元素作用下的鎂合金材料，其作用機(jī)理包括以下幾個方面:一是Y元素能和 Al，Zn，Sb等合金元素生成 Al2Y，Mg3Zn6Y，Y5Sb3等金屬間化合物，這些化合物硬度較高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良，能有效阻礙高溫下的晶界滑移，這對增加材料的熱穩(wěn)定性有積極作用［9］;二是經(jīng)Y元素處理后的合金晶粒細(xì)小、組織均勻，各種金屬間化合物及強(qiáng)化相彌散度較高，能有效阻礙室溫下的位錯運(yùn)動，這對材料的細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化提供了重要途徑;三是與基體Mg的原子半徑相比，稀土Y的原子半徑較大，而合金元素Al，Zn及Sb的原子半徑較小（見表2），這種原子半徑的反差能使合金元素的固溶強(qiáng)化效果更為突出，特別是Y元素含量較高時，能有效降低其他原子的遷移速度，這對穩(wěn)定組織、改善材料的耐高溫性能十分有利［10］。

2.3 Y對腐蝕性能的影響

為了研究Y對Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金腐蝕性能的影響，對不同Y含量的試樣做了如下實驗。具體方法為:在室溫條件下，將經(jīng)砂紙打磨的平整試樣稱重，然后浸入5.0%NaCl腐蝕介質(zhì)中，全浸泡72 h后取出，清除表面腐蝕產(chǎn)物，并用清水沖洗，烘干后再次稱重，最后采用失重法計算各試樣的相對腐蝕率，獲得表 3 數(shù)據(jù)，其中 Yx，Wf，Wa及 Crate分別表示試樣的Y含量、腐蝕前質(zhì)量、腐蝕后質(zhì)量及相對腐蝕率。數(shù)據(jù)表明:適量稀土Y對合金的腐蝕性能有改善作用，當(dāng)Y的加入量大于1%時，材料的耐蝕性能開始下降。

表3 Y含量對鎂合金腐蝕性能的影響Table 3 The effects of Y contents on corrosion properties of the magnesium alloy

一般而言，組織的均勻性與材料的腐蝕性能有密切關(guān)系，組織越均勻，材料的耐蝕性能越強(qiáng)［11］。根據(jù)Y元素對合金顯微組織的影響分析，當(dāng)Y添加量在1.0%左右時，該合金組織均勻細(xì)小，所以試樣的抗腐蝕性能較為理想，Y含量較高時均勻性下降，晶界處偏析嚴(yán)重，所以試樣的表面腐蝕較嚴(yán)重（見圖4）;其次，Y與其他合金元素一起，生成了耐蝕性能較強(qiáng)的金屬間化合物（如Mg3Zn6Y，Y5Sb3等），改善了 β-Mg17Al12相的分布狀況（見圖5），這就大大降低了合金自身的電化學(xué)腐蝕;再者，Y的氧化物（與夾雜氧生成）對材料結(jié)構(gòu)有改善作用，表層不連續(xù)的氧化膜得到修復(fù)，而該膜對腐蝕具有鈍化作用，腐蝕后的形貌較平整，沒有明顯的腐蝕坑出現(xiàn)［12］。綜合以上分析可知:Y元素對該鎂合金的腐蝕性能具有改善作用，其最佳加入量在1.0%左右，過量加入稀土Y對材料的耐蝕性能具有負(fù)面影響。

圖4 2.0%Y合金的腐蝕表面SEM照片F(xiàn)ig.4 The SEM pattern of 2.0%Y alloy after corrosion

圖5 組織中的金屬間化合物形貌Fig.5 The SEM pattern of intermetallic compound

3 結(jié)論

（1）加入1.0%上下的稀土Y對Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金組織具有強(qiáng)烈細(xì)化作用，鑄態(tài)組織均勻細(xì)小，平均晶粒直徑保持在30μm左右。

（2）含Y 1.5%的Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金具有較好的室溫力學(xué)性能，隨著Y含量的增加，其高溫力學(xué)性能及抗蠕變性得到有效改善。

（3）適量稀土Y能合理改善Mg-5Al-1.2 Zn-0.8Sb合金的組織結(jié)構(gòu)，對提高其表面耐蝕性能有積極作用，Y含量為1.0%時效果較佳。

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