B和Gd復(fù)合微合金化對(duì)AZ91鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

劉娜，孟曉棠， 趙德剛

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022 )

【新材料】

B和Gd復(fù)合微合金化對(duì)AZ91鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

劉娜，孟曉棠， 趙德剛*

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022 )

利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)及X射線衍射分析對(duì)添加微量B和稀土元素Gd的AZ91鎂合金的顯微組織及相組成進(jìn)行了研究，并對(duì)其室溫力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，AZ91鎂合金中添加Gd后， Gd與Al形成桿狀或塊狀的Al2Gd化合物相。含Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，鑄態(tài)合金的拉伸強(qiáng)度為207.8 MPa，相對(duì)未加Gd時(shí)提升了27.9%。AZ91鎂合金復(fù)合添加B和Gd后，合金組織發(fā)生明顯的變化，在減少Gd含量的基礎(chǔ)上添加B，可達(dá)到用微量B代替部分Gd對(duì)AZ91的強(qiáng)化效果。對(duì)比單一添加Gd的鑄態(tài)AZ91鎂合金，在達(dá)到相同力學(xué)性能的情況下，(B+Gd)復(fù)合微合金化的AZ91鎂合金的Gd添加量質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了19%，從而降低了成本。

鎂合金；B；Gd；微合金化；微觀組織；力學(xué)性能

Abstract∶The microstructure, phase composition of AZ91 magnesium alloy with trace amount of B and rare earth element Gd were investigated by using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy spectrum analysis (EDS) and X-ray diffraction (XRD) analysis. The effects of (B+Gd) microalloying on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloys were studied at room temperature. The results showed that the rod or block Al2Gd phase was formed after adding the rare earth Gd into AZ91 magnesium alloy. When the content of Gd was 1.0%, the tensile strength of as-cast alloy was 207.8 Mpa which increased by 27.9% than that without Gd. After adding the combined (B+Gd) into AZ91 magnesium alloy, the microstructure of alloy changed obviously. Based on reducing the content of Gd, the addition of trace amounts of B could achieve the strengthening effect of trace B instead of some Gd on AZ91. Compared with the as-cast AZ91 magnesium alloy with single addition of Gd, in the case of the same mechanical properties, the addition of Gd in the combined (B+Gd) microalloying as-cast AZ91 magnesium alloy could save by 19%, which decreased the productive cost of alloys.

Key words∶magnesium alloy; B; Gd; microalloying; microstructure; mechanical properties

鎂合金是工程應(yīng)用中密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度和比剛度高，阻尼性、切削加工性和鑄造性能好等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，鎂合金還有良好的減振性、尺寸穩(wěn)定性及鑄造成型性等，因此，可以廣泛應(yīng)用于汽車、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕饘俨牧蟍1-3]。但是，傳統(tǒng)鎂合金的耐熱性和抗高溫蠕變性能等較差，其使用溫度通常在120 ℃以下，這極大地限制了鎂合金在汽車等交通工具上的應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)鎂合金耐熱性差的問題，通常添加微量稀土元素來提高其耐高溫強(qiáng)度和蠕變抗力，使鎂合金能夠應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等方面。到目前為止，Mg-RE系合金優(yōu)異的耐高溫性能在耐熱鎂合金中仍處于優(yōu)勢(shì)地位，但稀土元素價(jià)格昂貴，使Mg-RE系合金在汽車中的廣泛應(yīng)用受到一定影響[4-7]。為節(jié)約資源、降低成本，得到價(jià)格低廉的高強(qiáng)鎂合金材料，本文研究了B和Gd復(fù)合微合金化對(duì)AZ91鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的幾種合金的成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用熔煉設(shè)備為CO2+ SF6混合氣體保護(hù)的井式電阻爐，升溫至730 ℃，待合金完全熔化后(一個(gè)小時(shí)左右)，按合金成分要求加入Mg-30%Gd中間合金，待固體原料完全熔解后，攪拌合金液以保證合金元素均勻分布。合金液靜置15 min后，扒渣，澆注成型；稱取3份AZ91合金(共300 g左右)，向其中加入B和Gd后進(jìn)行復(fù)合微合金化的合金鑄造，與以上實(shí)驗(yàn)步驟不同之處就是在爐中的AZ91完全溶化后，先加入按設(shè)定比例稱取的Al-4%B中間合金，待其完全融化后，再加入Mg-30%Gd中間合金直至完全溶解，合金液靜置15 min后，扒渣，澆注成型。T6 熱處理在箱式電阻爐中進(jìn)行，固溶溫度400oC，保溫24 h后，在25oC的水中淬火。時(shí)效溫度為170 ℃，時(shí)效時(shí)間為24 h，最后進(jìn)行空冷。實(shí)驗(yàn)用FEI QUANTA FEG掃描電鏡和S8 TIGER X射線熒光光譜儀，硬度實(shí)驗(yàn)在HBRV-187.5布洛維硬度計(jì)上測(cè)得。合金的室溫拉伸實(shí)驗(yàn)在DW-200E電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其中拉伸速率為0.5 mm/min。

表1 AZ91+Gd與 AZ91+0.02%B+Gd的合金組成

2 研究結(jié)果與討論

2.1 Gd和B對(duì)AZ91鎂合金相組成影響

圖1是未添加Gd、添加Gd和添加(B+Gd)的鑄態(tài)AZ91鎂合金的XRD射線衍射譜，圖中可以看出添加Gd后在AZ91鎂合金中形成了Al2Gd相。在AZ91中添加Gd和B后，因?yàn)锽的加入量太少，因此，(B+Gd)復(fù)合微合金化的鑄態(tài)AZ91鎂合金的XRD射線衍射譜沒有檢測(cè)出含B化合物的存在。

a AZ91；b 添加Gd的AZ91；c 添加B和Gd的AZ91。圖1 AZ91鎂合金添加不同成分XRD Fig.1 XRD of AZ91 magnesium alloy with different compositions

圖2 AZ91鎂合金SEM和EDSFig.2 SEM and EDS of as-cast AZ91 magnesium alloy

加入Gd后AZ91鎂合金的組織中相的組成發(fā)生了明顯的變化，有新相生成，合金中的成分通過能譜分析可知(見圖2)，1點(diǎn)處的顆粒狀相含有Mg、Al和Gd 3種元素，y(Mg)=10.18%，y(Al)=67.54%，y(Gd)=24.10%(摩爾分?jǐn)?shù))，排除合金中基體相α-Mg的干擾，Al和Gd的摩爾比接近于2∶1，因此初步判斷該顆粒相為Al2Gd。對(duì)基體相的分析結(jié)果說明，有極少部分的Gd固溶于α-Mg 基體中，故此顆粒狀相是Al2Gd化合物的判斷是合理的；2點(diǎn)處含有Al、Mg兩種元素，y(Mg)=63.01%，y(Al)=35.49(摩爾分?jǐn)?shù))，排除合金中基體相α-Mg的干擾，Mg和Al的摩爾比接近于17∶12，因此判斷此化合物是分布在晶界處的呈現(xiàn)不連續(xù)網(wǎng)狀Mg17Al12相。

2.2 Gd和B對(duì)AZ91鎂合金微觀組織影響

圖3為不同Gd含量的鑄態(tài)AZ91鎂合金SEM,Gd的加入生成了Al2Gd新相，結(jié)果使晶界處呈連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的第二相β-Mgl7Al12斷開，開始呈現(xiàn)斷網(wǎng)狀或大塊狀，晶粒內(nèi)部的此相呈顆粒狀分布。由圖3a可看出，當(dāng)添加w(Gd)為0.5%時(shí)，AZ91鎂合金的顯微組織得到顯著的改善，稀土元素Gd的加入細(xì)化了AZ91合金的基體組織，使β-Mg17All2相由沿晶界分布的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘脒B續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀。合金凝固過程中，Al2Gd相先于Mg17Al12相在此過程的早期開始形成，消耗了基體中的一部分Al原子，減少了β-Mg17Al12相的形成數(shù)量。另一方面，稀土Gd元素是表面活性元素，在Mg17Al12相生長過程中可以吸附在生長枝晶尖端，抑制Mg17Al12相的長大，增大其彌散程度。當(dāng)加入的w(Gd)為1.0%時(shí)(見圖3b)，合金的組織中顆粒狀彌散相Al2Gd的量相對(duì)于w(Gd)為0.5%時(shí)增多，使Al與Mg結(jié)合的機(jī)會(huì)減少，β相的數(shù)量減少，同時(shí)其半連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得更小，使合金組織得到細(xì)化，從而提高合金的室溫性能。當(dāng)添加w(Gd)達(dá)到1.5%時(shí)(見圖3c)，組織中出現(xiàn)比較多的細(xì)小、彌散、均勻分布的顆粒狀相，且β相大多呈短小的帶狀或細(xì)小塊狀。

a AZ91+0.5%Gd; b AZ91+1.0%Gd; c AZ91+1.5%Gd圖3 不同Gd含量的鑄態(tài)AZ91鎂合金SEMFig.3 SEM of as-cast AZ91 magnesium alloy with different Gd content

查閱文獻(xiàn)[8]，得到當(dāng)含B量為0.02%時(shí)AZ91的強(qiáng)化效果最佳，所以本實(shí)驗(yàn)選用0.02%的B添加入合金中，在此基礎(chǔ)上再添加不同量的Gd來觀察鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的變化。

圖4為w(B)=0.02%、不同Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鑄態(tài)AZ91鎂合金SEM,加入復(fù)合成分后鑄態(tài)AZ91合金的組織發(fā)生顯著的變化，其中灰色的部分是基體相α-Mg，白色的不連續(xù)網(wǎng)狀、帶狀和塊狀是β-Mg17Al12相，組織中還有彌散的顆粒狀化合物是Al2Gd相。由于添加的B太少，所以難以在圖3中觀察出含B的相，由文獻(xiàn)[9]可知，合金中的B主要分布在晶界上，特別是在β-Mg17Al12相邊界以及在塊狀A(yù)l2Gd周圍較為集中。

由圖4a可以看出，當(dāng)AZ91鎂合金中w(Gd)=0.5%時(shí)，相對(duì)于前面僅添加相同含Gd量的AZ91鎂合金來說，合金組織中出現(xiàn)顆粒狀新相Al2Gd。顆粒相Al2Gd是耐熱相，且B的加入細(xì)化了晶粒從而改善鎂合金的組織。當(dāng)w(Gd)=1.0%時(shí)(見圖4b)，其顯微組織發(fā)生了顯著的變化，顆粒相的數(shù)量明顯增加，且灰色的顆粒相在合金基體中趨向于彌散、細(xì)小、均勻分布，從而使得晶粒得到更顯著地細(xì)化，同時(shí)白色的半連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀或帶狀β相轉(zhuǎn)變?yōu)檩^短的帶狀或塊狀。當(dāng)合金中w(Gd)增加到1.5%時(shí)(圖4c)，組織中的顆粒相增多，但晶粒細(xì)化效果變化不太明顯，基體中的β-Mg17Al12大多都斷裂成短小的帶狀或塊狀，數(shù)量變化不大，因而當(dāng)w(Gd)在1.0%時(shí)細(xì)化達(dá)到最佳效果。

w(B)=0.02%a AZ91+0.02%B+0.5%Gd; b AZ91+0.02%B+1.0%Gd；c AZ91+0.02%B+1.5%Gd。圖4 不同Gd含量的鑄態(tài)AZ91鎂合金SEMFig.4 SEM of as-cast AZ91 magnesium alloy with 0.02%B and different Gd content

a SEM 圖 b EDS圖圖5 (0.02%B+1.5%Gd)復(fù)合微合金化下鑄態(tài)AZ91鎂合金組織1點(diǎn)的SEM和EDS圖Fig.5 SEM and EDS of the as-cast AZ91 magnesium alloy microstructure at 1 point under (0.02%B+1.5%Gd) composite microalloying

圖5是合金中的w(Gd)=1.5%時(shí)SEM圖像，由圖中可以看出，顆粒相增多，粗大并呈多邊形(主要為矩形)，同時(shí)有偏聚的傾向。對(duì)圖5中偏聚顆粒上的1點(diǎn)經(jīng)EDS分析知，顆粒相中Al和Gd的摩爾比接近于2∶1，說明這些顆粒為A12Gd相。且隨著w(Gd)的增大塊狀的Al2Gd相數(shù)量增加、尺寸也增大，并產(chǎn)生偏聚，造成合金組織和成分的不均勻，容易引起應(yīng)力集中，對(duì)合金力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。此外，這種偏聚現(xiàn)象還有可能使鎂合金的黏度增加，從而造成合金的流動(dòng)性下降，相應(yīng)地會(huì)導(dǎo)致鑄造缺陷增加，在一定程度上會(huì)降低合金的力學(xué)性能。

2.3 Gd和B對(duì)AZ91鎂合金力學(xué)性能的影響

圖6a是鑄態(tài)和熱處理態(tài)下AZ91鎂合金的拉伸強(qiáng)度與w(Gd)的關(guān)系，從圖中可看出，對(duì)于鑄態(tài)AZ91鎂合金來說，隨著w(Gd)的增大，室溫拉伸強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的Gd時(shí)，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到207.8 MPa。鑄態(tài)下合金的拉伸強(qiáng)度當(dāng)w(Gd)=1.5%時(shí)達(dá)最大值，熱處理后的合金的拉伸強(qiáng)度當(dāng)w(Gd)=1.0%時(shí)達(dá)到最大值，熱處理對(duì)合金的拉伸強(qiáng)度的影響在含Gd量較低時(shí)較大，在w(Gd)=1.5%時(shí)最小，且其趨勢(shì)隨著Gd量的增加而減小。

圖6b為實(shí)驗(yàn)所得AZ91鎂合金延伸率與w(Gd)的關(guān)系，由圖中可看出鑄態(tài)和熱處理態(tài)下合金的延伸率均先隨著Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多而增大，當(dāng)AZ91鎂合金的w(Gd)達(dá)到1.0%時(shí)，合金的延伸率達(dá)最大值，分別為6.4%、3.3%；而當(dāng)w(Gd)大于1.0%時(shí)，合金的延伸率開始下降。鑄態(tài)和熱處理態(tài)下的鎂合金的延伸率的差值隨Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多而增大。圖6c反映了鑄態(tài)和熱處理態(tài)下AZ91鎂合金硬度和w(Gd)的關(guān)系，對(duì)圖中這兩種狀態(tài)下合金的硬度變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩種態(tài)下AZ91鎂合金的硬度隨Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多而增加，當(dāng)w(Gd)為1.5%時(shí)，鎂合金的硬度達(dá)到最大值，且當(dāng)w(Gd)≤1.0%時(shí)，硬度的提升較為迅速，而w(Gd)為1.0%～1.5%時(shí)，硬度的提升不是很明顯。

圖6 鑄態(tài)和熱處理態(tài)下AZ91鎂合金拉伸強(qiáng)度、延伸率和硬度與ω(Gd)的關(guān)系Fig.6 The relationship of tensile strength, elongation, and hardness to ω(Gd) of AZ91 magnesium alloy in as-cast and heat-treated states

圖7a為(B+Gd)復(fù)合微合金化的AZ91鎂合金分別在鑄態(tài)和熱處理態(tài)下其拉伸強(qiáng)度和w(Gd)的關(guān)系。 (B+Gd)復(fù)合微合金化AZ91鎂合金，其拉伸強(qiáng)度隨Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)(實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍內(nèi))的增多而升高，且均在w(Gd)≤ 1.0%時(shí)，鎂合金的拉伸強(qiáng)度提升較快，當(dāng)w(Gd)達(dá)到1.0%后，合金的拉伸強(qiáng)度隨著Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加提升很小。由圖中可得出結(jié)論：加B鑄態(tài)性能提高，T6態(tài)幾乎不變；熱處理態(tài)下(B+Gd )復(fù)合微合金化的AZ91鎂合金在w(Gd)不同時(shí)的拉伸強(qiáng)度總是高于鑄態(tài)AZ91鎂合金的拉伸強(qiáng)度；復(fù)合微合金化的合金在w(Gd)為1.0%時(shí)其拉伸強(qiáng)度達(dá)最大值。 圖7b為(B+Gd)復(fù)合微合金化的AZ91鎂合金分別在鑄態(tài)和熱處理態(tài)下其延伸率和w(Gd)的關(guān)系。合金的延伸率隨Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小，且均當(dāng)w(Gd)≤1.0%時(shí)，鎂合金的延伸率增長較快，當(dāng)w(Gd)達(dá)到1.0%后，合金的延伸率隨著Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加變化較小。由圖中可得出結(jié)論：加B的AZ91鎂合金延伸率低于不加B的，并且相差不大；當(dāng)(B+Gd)微合金化對(duì)于提高鎂合金的延伸率的程度和添加單一Gd相當(dāng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了用少量的B代替部分Gd元素來降低合金成本的目的。

(B+Gd)微合金化的AZ91鎂合金的硬度和w(Gd)的關(guān)系如圖7c所示。圖中可見合金的硬度隨Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小，均當(dāng)w(Gd)為1.0%時(shí)硬度達(dá)到最大值，且均當(dāng)w(Gd)小于1.0%時(shí)，鎂合金的延伸率增長較快，當(dāng)w(Gd)達(dá)到1.0%后，合金的延伸率隨著w(Gd)的增加變化趨勢(shì)較小，且隨著w(Gd)的增加而降低，故適當(dāng)?shù)膚(Gd)對(duì)鎂合金的強(qiáng)度提升最佳。由圖中可得出結(jié)論：(B+Gd)微合金化的AZ91鎂合金在不同w(Gd)時(shí)其硬度在熱處理態(tài)和鑄態(tài)均總是高于相應(yīng)態(tài)下含相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)單一Gd的合金的硬度，且在Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時(shí)，微合金化對(duì)合金硬度的提升較大；熱處理態(tài)下(B+Gd)復(fù)合微合金化的AZ91鎂合金在w(Gd)不同時(shí)的硬度總是遠(yuǎn)高于鑄態(tài)AZ91鎂合金的硬度。

圖7 (B+Gd)微合金化AZ91鎂合金在鑄態(tài)以及熱處理后其拉伸強(qiáng)度、延伸率和硬度與ω(Gd)的關(guān)系Fig.7 The relationship of tensile strength, elongation, and hardness toω(Gd) of (B+Gd) microalloying AZ91 magnesium alloy in as-cast and heat-treated states

從成本方面考慮，所購的Mg-30%Gd中間合金的價(jià)格為270元/千克，Al-4%B的價(jià)格為74元/千克。對(duì)于單一添加Gd和(B+Gd)復(fù)合微合金化的鑄態(tài)AZ91鎂合金，在其力學(xué)性能最佳時(shí)(w(Gd)為1.0%)，實(shí)驗(yàn)所得兩合金的室溫拉伸強(qiáng)度，分別為206.4 MPa、209.8 Mpa；當(dāng)同條件下兩合金的屈服強(qiáng)度相同時(shí)，即(B+Gd)復(fù)合微合金的鎂合金其室溫強(qiáng)度達(dá)到206.4 Mpa時(shí)，需添加進(jìn)鎂合金的w(Gd)為0.81%，在生產(chǎn)成本上比單一添加Gd節(jié)約的添加量為19%。這就實(shí)現(xiàn)了加入一定量的B來代替部分的稀土元素Gd提高AZ91鎂合金的室溫性能的效果，使此合金的生產(chǎn)成本相對(duì)同強(qiáng)度下添加單一稀土元素Gd的鎂合金成本降低。

3 結(jié)論

(1) AZ91鎂合金添加B和Gd后，合金組織發(fā)生明顯的變化，鑄態(tài)下復(fù)合微合金化的AZ91鎂合金的最大拉伸強(qiáng)度為198.7 MPa，與單一添加Gd時(shí)相比，提高了9.7%，這主要源自于B對(duì)AZ91組織的晶粒細(xì)化作用。

(2)采用B和Gd復(fù)合微合金化提高鎂合金室溫性能，用B元素來代替合金中的部分Gd元素，能夠降低鎂合金的成本。與單一添加Gd的鑄態(tài)AZ91鎂合金相比，在達(dá)到相同力學(xué)性能的情況下，(B+Gd)復(fù)合微合金化的AZ91鎂合金Gd的添加量節(jié)約19%。

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Effects of B and Gd composite microalloying on microstructure and mechanical properties of AZ91magnesium alloy

LIU Na，MENG Xiao-tang，ZHAO De-gang

(School of materials science and Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China)

TG146.2

A

1002-4026(2017)05-0037-08

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.007

2017-04-17

國家自然科學(xué)基金(51471076)

劉娜(1996—)，女，研究方向?yàn)楦邚?qiáng)Mg-Al系合金。E-mail：913406906@qq.com

*通信作者，趙德剛。E-mail:mse_zhaodg@ujn.edu.cn