不同固溶溫度對Mg-10.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織和力學性能的影響

鐘羅喜，楊明波，袁 淑，張 奇，李林峰

(重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054)

鎂合金作為市場上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，還擁有較高的比強度、比剛度，優(yōu)異的鑄造加工性能、阻尼降噪減震和電磁屏蔽性能，因此是僅次于鋼鐵和鋁合金后又一大新型的合金類型，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[1-4]。為了提高鎂合金的強度，往往采用最常用的方式即對試驗合金進行熱處理，因為在熱處理過程中可以有效地阻礙位錯運動，在溫度升高時防止基面滑移[5-7]。在所有的Mg-RE合金中，Mg-Gd-Y-Zr系列合金顯得尤為突出。Kawamura等[8]研究發(fā)現(xiàn)，Mg97Y2Zn1合金隨著固溶處理的進行展現(xiàn)的屈服強度能夠達到610 MPa，而室溫延伸率只有5%。之所以固溶處理后能夠改變合金的組織和性能，是因為：(1)合金在固溶處理過程中會產(chǎn)生長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)(LPSO相)，其在固溶處理過程中比較容易形成，例如在Mg-RE-Zn合金中[9-10]，隨著溫度的升高，合金中的LPSO相能夠提高合金的性能[11-12]。但是目前對于這種LPSO相的研究還不是特別成熟。(2)試驗合金在固溶處理過程中，合金的一些共晶相會更加的細小且沿著晶界彌散分布，例如Mg24Y5和Mg5Gd相[13-14]?；谝陨系睦碚撗芯炕A(chǔ)，試驗Mg-10.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.5Zr鎂合金隨著固溶處理勢必會改善其力學性能。因此，本文通過在12 h保溫時間下，分別采用460、480、500 ℃固溶溫度，比較相互之間的金相顯微組織、相組成和力學性能，同時與鑄態(tài)形成對比，最終確定相對較佳的固溶溫度，也為后續(xù)開發(fā)Mg-Gd-Y-Zn-Zr基高強鑄造鎂合金的熱處理工藝提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及試驗方法

Mg-10.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.5Zr試驗合金以純Mg、純Zn(≥99.99%)和Mg-24.75%Gd、Mg-19.44Y和Mg-27.80%Zr(質(zhì)量分數(shù))作為原材料來進行熔煉，在熔煉過程中，最重要的控制因素是燒損率，同時還要考慮合金在熔煉過程的夾雜和商用價值等因素，因此稀土元素的加入均為中間合金的形式。試驗合金在SG2-7.5-12A型井式坩堝電阻爐中熔煉，熔煉之前首先要對爐體進行烘熱處理，溫度大約控制在400 ℃，以防止爐體在濕冷的環(huán)境中突然升溫燒斷電阻絲，然后將坩堝放入電阻爐中加熱，升溫至500 ℃，等待坩堝燒紅即可。先放入純Mg綻子，將溫度設(shè)置為720 ℃，等待純Mg全部融化后依次放入中間合金和純Zn，這時需將溫度升高至760 ℃，待所有合金全部融化后進行順時針來回攪拌，同時通入SF6(體積分數(shù)為1%)和CO2(體積分數(shù)為99%)保護氣體，關(guān)閉爐蓋靜置5 min，再將已經(jīng)加熱的鎂合金專用精煉劑塞入鐘罩中對合金熔體進行除渣處理，將溫度降至720 ℃，靜置10 min，再注入已經(jīng)預(yù)熱的金屬模具中，注入時應(yīng)將坩堝懸空倒入，凝固后應(yīng)該迅速開模取樣。先將鑄綻坯子線切割制成標準的拉伸棒，其次盡量在樣品芯部取樣。取5～10 mg打磨干凈的樣品裝入Al2O3坩堝中做DSC熱分析，樣品溫度為700 ℃，保溫時間5 min，升溫速率10 ℃/min，儀器型號為耐馳STA449F3型；試樣的熱處理設(shè)備為SX-G02103型熱處理爐，溫度設(shè)定分別為460、480、500 ℃，保溫時間均為12 h，冷卻方式為水冷；試驗合金微觀組織采用的腐蝕劑為4%硝酸酒精(鑄態(tài))，4.5 g苦味酸+25 mL乙醇+15 mL乙酸+30 mL蒸餾水(熱處理態(tài))；微觀組織觀察的儀器是DMI5000M光學顯微鏡，形貌分析是在蔡司ΣIGMA HDTM場發(fā)射掃描電鏡和JSM-6460LV(日本電子)鎢燈絲掃描電鏡，同時進行EDS能譜分析，物相分析是在PANalytical Empyrean Series 2型X射線衍射儀上進行的，最后將合金在自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計上進行硬度測試，儀器型號為HXS-1000Z，載荷為50 N，保壓時間為15 s，測試15個點并求平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗合金的顯微組織和相組成

圖1為試驗合金的金相顯微組織。從圖1(a)可以觀察到，試驗合金的鑄態(tài)顯微組織主要包含一些呈枝晶狀的α-Mg基體相和少量的網(wǎng)狀共晶組織，鑄態(tài)組織中的共晶化合物大部分是彌散分布的。圖1(b)是試驗合金在460 ℃條件下保溫12 h固溶組織照片，從圖中可以明顯地觀察到，合金組織中Gd、Y、Zr原子會溶于α-Mg基體中，共晶相沿著晶界分布，晶粒較為細小，而合金在經(jīng)過480 ℃下保溫同樣的時間后，晶粒有逐漸長大的趨勢，較460 ℃下保溫同樣時間下，晶粒變得更大了，且第二相的尺寸也變大了，但是晶界顯得更加清晰平直，最后，合金在經(jīng)過500 ℃下保溫12 h后，共晶相變得更加的少且散亂分布在晶界處，合金晶粒也變得更加細小，共晶組織變得少且細小。通過固溶態(tài)與鑄態(tài)對比可知，在經(jīng)過固溶處理的過程中，合金中的共晶相大部分溶于α-Mg基體相中，共晶相的形態(tài)也沒有鑄態(tài)時那么粗糙。其次，合金在固溶過程中，會析出一種由晶界指向晶內(nèi)的LPSO相，試驗合金在經(jīng)過不同的固溶溫度下保溫相同的時間后，合金中的LPSO相變得更加少，合金在460 ℃時較鑄態(tài)析出更多的LPSO相，且當固溶溫度在480 ℃時，合金中的LPSO相最多，但是，當溫度升高到500 ℃后，試驗合金中的LPSO相幾乎消失了。

圖1 試驗合金的金相顯微組織

圖2 試驗合金的DTA熱分析曲線(a)和XRD圖譜(b)

圖3是試驗合金的低倍SEM照片。從圖中的形貌可以明顯地觀察到，試驗合金鑄態(tài)時主要呈現(xiàn)的是一種網(wǎng)狀的斷續(xù)狀的組織，無明顯的片層狀的LPSO相結(jié)構(gòu)，但是合金在經(jīng)過460 ℃保溫12 h固溶處理時，出現(xiàn)了該相(圖3(b)中的A點)，該相在SEM下呈片層狀，但是比較模糊，且LPSO相能夠穿透其余的第二相，主要是Mg24Y5和Mg5Gd相，是因為合金中的第二相主要沿著晶界分布，而LPSO相的分布是由晶內(nèi)指向晶界的。圖3(c)中的B和圖3(d)中的C中均存在著這種相，但是隨著溫度從480 ℃升至500 ℃時，試驗合金中的LPSO相基本上溶于基體相中。從低倍的SEM照片還可以知道，隨著固溶處理溫度的不斷升高，試驗合金中的Mg24Y5和Mg5Gd等第二相呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在500 ℃下保溫12 h后，合金中的第二相最為細小且體積分數(shù)減少。

圖3 試驗合金的低倍SEM照片

圖4是試驗合金的高倍SEM照片，通過照片可以更加清楚地看到，鑄態(tài)組織中沒有出現(xiàn)片層狀的結(jié)構(gòu)。結(jié)合表1 EDS能譜分析，可以得出結(jié)論：試驗合金鑄態(tài)組織中不包含有LPSO相結(jié)構(gòu)的存在。但是在經(jīng)過固溶處理時，LPSO相逐漸析出，其中在480 ℃保溫12 h出現(xiàn)的最多。其次，隨著固溶溫度的升高，合金中的第二相有先長大后又逐漸溶于基體中的趨勢，從圖4(b)到圖4(c)過程中，含稀土的方塊相增多了。根據(jù)表1的EDS分析可知，該方塊相為Mg5(Gd,Y)相，有呈現(xiàn)魚骨狀的稀土相為Mg24(Y,Gd)5，當溫度升高后，LPSO相也出現(xiàn)了溶解的現(xiàn)象，也同樣驗證了圖2(a)的溶解過程。

圖4 試驗合金的高倍SEM照片

表1 試驗合金鑄態(tài)EDS結(jié)果 at.%

2.2 試驗合金的力學性能

圖5是試驗合金的硬度曲線。從圖5可以看出，在經(jīng)過固溶處理后，試驗合金的硬度顯著提高。合金隨著固溶溫度的升高，硬度出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢。這主要是由于合金在經(jīng)過固溶處理過程中，隨著固溶溫度的升高，溶質(zhì)原子不斷地擴散到α-Mg基體中以及不斷析出的第二相中，能夠有一定的強化第二相的作用，這樣對于合金的硬度有一定的增益作用[15]。在整個固溶處理過程中，LPSO相占據(jù)著主導(dǎo)地位，結(jié)合DTA熱分析曲線，也可以發(fā)現(xiàn)合金在503 ℃時開始發(fā)生溶解，也就是合金在500 ℃時硬度最高，且在500 ℃時也會有固溶強化和析出強化的作用，在二者的作用下合金的硬度也可以進一步提高。同時，在500 ℃下保溫12 h后合金組織變得更加細小均勻，消除了枝晶偏析，這樣可以改善合金的力學性能。

圖5 試驗合金的硬度曲線

3 結(jié)論

1) Mg-10.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.5Zr試驗合金的鑄態(tài)組織主要是枝晶狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時呈彌散分布在晶界上。合金在經(jīng)過固溶處理后，晶界平直清晰，合金中的第二相大部分會溶于α-Mg基體相中，但是LPSO相呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。

2) Mg-10.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.5Zr試驗合金的鑄態(tài)硬度均低于固溶處理的硬度，其中以500 ℃保溫12 h固溶處理的硬度達到最大值，固溶處理可以提高合金的硬度。