混合稀土RE 對Mg-10Al 合金組織及性能的影響

李雪梅，馬麗娜，羅 輝，馬 彪，王偉偉，王紅霞

（太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

Mg-Al 系列鎂合金不僅具有密度小、比強度和比剛度高、導熱導電性能好、易于成形加工、廢料容易回收等鎂合金共有特點，而且具有良好力學性能、鑄造性能和低廉的成本，因此在汽車、電子、儀表以及航天航空等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[1]。Mg-Al 合金中，主要強化相為沿晶界析出的β-Mg17Al12，此相隨著Al 含量的增加，逐漸增多，合金強度提高，但當Al 質(zhì)量分數(shù)大于10%時，β 相將變得異常粗大且形成連續(xù)析出的網(wǎng)狀，導致合金強度、塑性顯著下降。資料表明稀土元素具有表面活性[2-5]，在鎂合金中可以凈化合金溶液、細化組織、提高合金室溫及高溫力學性能、增強耐蝕性。故本實驗選擇Al 質(zhì)量分數(shù)為10%的Mg-10Al 合金，添加混合稀土RE（La，Ce） 探討其對Mg-10Al 合金組織形態(tài)及力學性能的影響。

1 試驗材料及方法

用99.8%鎂錠和99.9%鋁錠及鎂稀土中間合金w [RE（La、Ce）]=30%配制成名義成分為：w（Al）=10%，w（RE）：0%、0.5%、1.0%、1.5%，2%，其余為Mg的合金。鎂合金熔煉試驗在SXZ-5-2 電阻爐中進行，使用涂刷自制水玻璃涂料的不銹鋼坩堝，一次裝爐量400 g，熔煉時，將坩堝預(yù)熱到400 ℃，在底部撒入適當?shù)腞J-4 覆蓋劑，放入預(yù)熱到150 ℃以上的鎂錠、鋁錠、鋁鈹塊，在其上表面覆蓋適量RJ-4熔劑。將爐溫調(diào)到780 ℃，待各合金熔化后，扒渣，以小塊的形式加入Mg-RE 中間合金，攪拌2 min，使其成分充分溶解，重新加入覆蓋劑，保溫30 min.將爐溫降至760 ℃，扒渣，加入精煉劑攪拌2 min，靜置20 min，扒渣后澆入φ20 mm×150 mm 的圓柱形金屬模中制成坯料。在距坯料兩端10 mm 處截取試樣，采用KY22000 型X 射線衍射儀進行物相分析、LeicaDM2500 金相顯微鏡進行組織觀察。然后將坯料線切割成拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖1所示，并打磨光滑（尤其是圓角）。拉伸實驗在WDW-100 KN 型電子萬能試驗機上進行，拉伸速率為0.01 mm/s（ε＝10-3s-1），同一狀態(tài)的試樣重復做3次，取平均值。

圖1 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果及分析

2.1 Mg-10Al 顯微組織分析

圖2 為鑄態(tài)Mg-10Al 合金顯微組織圖。由圖3可知，當Al 在Mg 中的質(zhì)量分數(shù)為2%～12.7%范圍時，平衡結(jié)晶（緩慢冷卻）狀態(tài)下的室溫組織應(yīng)當是α-Mg 固溶體與β-Mg17Al12沉淀相的混合物，沒有共晶組織。但在實際生產(chǎn)中，冷卻速度較快，即產(chǎn)生非平衡結(jié)晶，導致液相生成的初生α-Mg 相中的溶質(zhì)元素Al 來不及擴散均勻化，并在尚未凝固的液相中富集，此時在鋁質(zhì)量分數(shù)較多的鎂合金中，Al 在液相中往往超過溶解度極限，從而導致初生α-Mg固溶體發(fā)生顯著的晶內(nèi)偏析，沿晶界剩余液相發(fā)生共晶反應(yīng)：L→α-Mg+β-Mg17Al12，形成沿晶界分布的α-Mg+β-Mg17Al12共晶網(wǎng)。故Mg-10Al 合金在金屬型冷卻條件下，形成如圖2 組織，尺寸為50 μm～80 μm 團絮狀初生α-Mg、從初生α-Mg 中析 出 的 顆 粒 狀 β -Mg17Al12及沿晶界斷續(xù)網(wǎng)狀分布的α-Mg+β-Mg17Al12共晶體。

圖2 Mg-10Al 合金顯微組織

圖3 鎂鋁合金二元相圖[6]

圖4 Mg-10Al-1.5RE 合金X 射線衍射圖譜

2.2 混合稀土對Mg-10Al 合金顯微組織及物相的影響

圖4 是Mg-10Al-1.5RE 合金的XRD 圖譜。通過比對PDF 卡，可知，Mg-10Al 合金，添加質(zhì)量分數(shù)為1.5%RE 后，除了α-Mg 基體和β-Mg17Al12相，還出現(xiàn)了新相Al2RE 和Al11RE3.稀土具有活潑的化學性質(zhì)，有可能形成Al-RE、Mg-RE、Mg-Al-RE 化合物[7]。而元素間形成化合物的難易程度，可從其電負性差值來判斷。電負性差值越大，元素間的結(jié)合力力越大，越容易形成金屬化合物。根據(jù)資料可知La、Ce 和Al 的電負性差值要大于La 、Ce 和Mg 間的電負性差值。因此在鎂合金中加入稀土，可能優(yōu)先生成Al 和La、Al 和Ce 的化合物[7]。 根據(jù)Al-La、Al-Ce 二元相圖[8]分析可知：當稀土質(zhì)量分數(shù)較低時，凝固析出Al2RE 相（Al2La 為1405 ℃，Al2Ce 為1480 ℃）.稀土質(zhì)量分數(shù)逐漸增加時，Al2RE 相生成量增多。當加入稀土的質(zhì)量分數(shù)達到一定程度時，Al2RE 相發(fā)生反應(yīng)形成Al11RE3相。結(jié)合文獻[9]，Al2RE 相一般呈顆粒狀，Al11RE3相呈針狀。因此添加1.5%RE 后，合金組織由α-Mg 基體、β-Mg17Al12相，顆粒狀的Al2RE 相和針狀的Al11RE3相組成，見圖5 所示。

圖5 Mg-10Al-1.5RE合金金相放大圖

圖6 為添加不同質(zhì)量分數(shù)（0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，）混合稀土后Mg-10Al-xRE 合金的顯微組織圖。與圖3 相比，添加混合稀土后合金初生a-Mg 相基體晶粒明顯細化，沿晶界不連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg17Al12相變?yōu)閺浬⒎植嫉牧罨驂K狀，呈斷網(wǎng)趨勢。且對比圖6a）、b）、c）和d）可見，隨著混合稀土質(zhì)量分數(shù)的增加，晶粒細化效果逐漸增加，β-Mg17Al12相分散效果逐漸增加。當稀土質(zhì)量分數(shù)為0.5%和1.0%時，出現(xiàn)顆粒狀新相Al2RE（圖6a）和b））；當RE 質(zhì)量分數(shù)達到1.5%時，晶粒細化效果最佳，出現(xiàn)針狀A(yù)l11RE3相（圖6c））；RE 質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加到2.0%時，α-Mg 晶粒又有變大的趨勢，β-Mg17Al12相分散效果最好，針狀A(yù)l11RE3相尺寸變大（圖6d））。

圖6 Mg-10A-xRE 合金金相組織

分析認為：混合稀土RE（La 和Ce）在-Mg 的固溶度小，而且它隨溫度降低而降低。在合金凝固時，由于溶質(zhì)再分配，進入初生α-Mg 的RE 很少，大量的RE 元素在固/液界面前沿富集，從而增大了Mg-10Al 合金的成分過冷，使初生α-Mg 晶粒得到細化。另一方面，加入混合RE 后，RE 與合金中的Al形成針狀的鋁稀土新相，這些化合物大部分偏聚在晶界上，阻礙了初生α-Mg 晶粒的長大，進一步細化了晶粒。由于稀土與Al 結(jié)合生成新的針狀和顆粒相，消耗了合金中Al，抑制了β-Mg17Al12相的形成，使β 相數(shù)量減少，尺寸減小，并由網(wǎng)狀逐漸變?yōu)閺浬⒎植嫉念w粒狀或塊狀[2-5]。

2.3 Mg10A-xRE 合金力學性能的分析

圖7 為添加不同質(zhì)量分數(shù)混合稀土后合金的拉伸性能圖。由圖7 可知，在Mg-10Al 合金中加入混合稀土RE 后，合金的抗拉強度和伸長率均得到顯著提高。隨著混合稀土RE 質(zhì)量分數(shù)的增加，合金的抗拉強度與伸長率都呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。在RE 質(zhì)量分數(shù)為0.5%時伸長率達到最大值，由Mg-10Al 合金的0.5%增加到1.56%. 在RE 質(zhì)量分數(shù)為1.5%時，抗拉強度達到最大值，從Mg-10Al 合金的81 MPa 提高到164 MPa.RE 質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加時，合金抗拉強度反而下降。

圖7 Mg-10Al-xRE 合金拉伸性能變化圖

晶粒尺寸和第二相的形態(tài)是影響力學性能的兩個重要因素[1]。Mg-10Al 合金由于晶粒粗大，β-Mg17Al12相呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布，拉伸變形時對基體有嚴重割裂作用，因此抗拉強度和伸長率都較低。當加入0.5%和1.0%RE 時，初生α-Mg 顯著細化，網(wǎng)狀的β-Mg17Al12相逐漸變的彌散細小，顆粒狀新相Al2RE 逐漸增加，因此抗拉強度逐漸提高。當加入1.5%稀土時，晶粒達到最細，β-Mg17Al12相基本呈顆粒狀彌散分布，而且在晶界出現(xiàn)了大量尺寸較小的針狀化合物Al11RE3相，拉伸時對晶界起到良好的釘扎作用，有效阻止位錯運動和晶界滑移，起到了析出強化作用，使抗拉強度達到最高。當加入2.0%稀土時，基體晶粒有所變大，而且在晶界分布的針狀化合物數(shù)量增多、尺寸變大，拉伸變形時反而成為裂紋源，故抗拉強度有所下降。對于伸長率在RE質(zhì)量分數(shù)為0.5%時達到最大，主要是由于α-Mg 基體的細化和網(wǎng)狀共晶β 相的斷網(wǎng)和分散，且顆粒狀硬質(zhì)Al2RE 相較少。因為在相同外力的作用下，細小晶粒的晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小，變形較均勻，相對來說，因應(yīng)力集中引起開裂的機會也較少，這就有可能在斷裂之前承受較大的變形量，而且細晶粒金屬中的裂紋不易產(chǎn)生也不易傳播，在斷裂過程中吸收了更多的能量，因而表現(xiàn)出較高的塑性。當RE 質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加到1.0%和1.5%時，Al2RE 相增加，甚至出現(xiàn)大量針狀A(yù)l11RE3，此時由于拉伸變形過程中這些硬質(zhì)相周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而塑性略有下降。而RE 質(zhì)量分數(shù)增加到2.0%時，基體晶粒出現(xiàn)粗化，針狀A(yù)l11RE3變大，這些硬質(zhì)相對基體起到裂紋源的作用，故其塑性降到最低。

3 結(jié)論

1）在Mg-10A1 合金中加入混合稀土RE，可以使初生α-Mg 相有效地細化，β-Mg17Al12相由不連續(xù)網(wǎng)狀變?yōu)轭w粒狀，并彌散分布，同時形成了Al2RE和Al11RE3新相。

2）Mg-10A1-xRE 合金中，隨著RE 質(zhì)量分數(shù)增加，初生α-Mg 晶粒逐漸細化，β-Mg17Al12相逐漸分散，在RE 含量為1.5%時，細化效果達到最佳，當RE 含量繼續(xù)增加到2.0%時，組織又略有粗化。

3）在Mg-10Al 合金中加入混合稀土RE 后，合金的抗拉強度和伸長率均得到顯著提高。隨著RE質(zhì)量分數(shù)的增加，合金的抗拉強度與伸長率均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。伸長率在RE 質(zhì)量分數(shù)為0.5%時達到最大值，抗拉強度在RE 質(zhì)量分數(shù)為1.5%時，達到最大值，從81 MPa 提高到164 MPa.

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