Mg-Zn-Sn-Er合金時效析出機(jī)制的研究

＊張 昭

（河南傳承鑄造材料有限公司 河南 455000）

在Mg-Sn系列的合金中，析出的高熔點(diǎn)的Mg2Sn顆粒相能夠阻止高溫拉伸時的塑性變形，改善合金的抗高溫性能，增強(qiáng)合金的熱穩(wěn)定性[1-3]。同時，Mg-Zn基合金由于過渡相的沉淀產(chǎn)生具有明顯的時效硬化。因此，Mg-Zn和Mg-Sn系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)針狀MgZn2沉淀物和板狀Mg2Sn沉淀物是a-Mg基體強(qiáng)化的主要原因，結(jié)合二者形成的Mg-Zn-Sn三元體系的合金系統(tǒng)被認(rèn)為是抗蠕變Mg合金的有前途的候選者之一。但是沉淀物的粗化過程會導(dǎo)致過度時效，而稀土元素鉺(Er)在鎂合金凝固過程中形成高溫稀土相可以集中在亞晶粒和晶界防止熱處理期間晶粒的生長。然而，微觀結(jié)構(gòu)演化的一些重要特征仍然存在未知，尚不清楚在時效過程中含鉺相在鎂合金沉淀析出的基本規(guī)律。因此，本文的主要目的是深入研究Mg-Zn-Sn-Er合金中MgZn2、Mg2Sn相和稀土相的析出順序和成核特性。

1.研究方法

在可控硅箱式熱處理爐進(jìn)行固溶處理。結(jié)合測試的鑄態(tài)DSC相變點(diǎn)和相圖分析，對合金鑄錠制定了三級固溶方案，第一級固溶在335℃保溫24h后取出進(jìn)行水淬并烘干，接著進(jìn)行第二級固溶在440℃保溫24h后取出進(jìn)行水淬并烘干，隨后進(jìn)行第三級固溶在480℃保溫18h后取出進(jìn)行水淬并烘干。

為了研究得到更好的時效析出效果，實(shí)驗(yàn)采用在油浴爐子中進(jìn)行T6處理（固溶+雙極時效）。固溶后的試樣切成厚度為15mm的方形薄片，隨后放入裝有硅油的油浴爐子里進(jìn)行時效處理。時效方案分別為在80℃中保溫12h、24h、36h、48h、72h、96h，隨后在150℃中保溫24h、48h、72h、96h、120h，每組試樣取出后均進(jìn)行空冷。

利用GX51標(biāo)準(zhǔn)型倒置光學(xué)顯微（Optical Microscope，OM）分析金相和采用日本電子JEM-2100透射電鏡進(jìn)行高倍顯微組織分析。

2.分析與討論

（1）Mg-Zn-Sn-Er固溶時效組織。圖1為固溶處理后Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金的金相。從金相上可以看出有一些黑色的顆粒在晶內(nèi)存在，并隨著Er含量增加而增多，初步分析是高溫相或者含稀土相并未完全溶解到基體中。經(jīng)過三級固溶后，晶界處的二次相幾乎消失，晶界相對清晰，晶粒變得更粗大。從整體上看，固溶處理使二次相溶解基本上溶入到基體中。

圖1 Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金固溶金相組織圖

圖2為固溶處理合金的XRD圖譜。從XRD圖譜可以明顯看出，經(jīng)過335℃/24h固溶處理后，該合金中MgZn2相的峰值明顯降低直至消失，說明該相基本溶解到基體中，經(jīng)過335℃/24h+440℃/24h固溶處理后，該合金中Mg2Sn相的峰值降低了但仍有部分峰值存在，說明該相部分溶解到基體中，而部分并未溶解的原因可能是Mg2Sn相的熔點(diǎn)高，在固溶時溫度和時間均為到最佳的狀態(tài)，但對其他的含稀土相在基體中的溶解影響不大；經(jīng)過335℃/24h+440℃/24h+480℃/18h固溶處理后，該合金中Mg2Sn相的峰幾乎消失了，說明該相已經(jīng)溶解到基體中。可以看到MgSnEr相對應(yīng)的峰，且隨著溫度的升高，MgSnEr相對應(yīng)的峰值強(qiáng)度變?nèi)?。說明在固溶處理過程中，MgSnEr相溶于基體中。

圖2 Mg-5Zn-3Sn-2Er合金固溶處理合金的XRD分析

圖3為隨著Er含量不斷增加的Mg-5Zn-3Sn-xEr合金時效150℃保溫48h金相組織?？梢钥闯鯡r含量的增加抑制了晶粒和亞晶粒的長大，這是因?yàn)槟踢^程中形成的高溫相MgSnEr集中在亞晶粒和晶界防止熱處理期間亞晶粒的生長。在150℃時效過程中，連續(xù)析出形式占據(jù)主要地位，時效24～48h后，在晶內(nèi)可以觀察到Mg2Sn相。

圖3 Mg-5Zn-3Sn-xEr合金時效150℃保溫48h金相組織

圖4為Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金時效150℃保溫48h的XRD分析圖譜，通過對圖譜的分析可以得出，當(dāng)Er含量為0時，Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金是由α-Mg、MgZn2和Mg2Sn三相組成。隨著Er含量的增加，Mg2Sn相的衍射峰的峰強(qiáng)逐漸減弱，并且發(fā)現(xiàn)添加稀土Er后，在XRD圖譜中有MgSnEr的時效峰出現(xiàn)，隨著Er含量的增加，MgSnEr衍射峰的強(qiáng)度越大。分析原因是Mg-Zn-Sn合金里加Er后，產(chǎn)生MgSnEr，隨著Er含量增多，結(jié)合了Sn也愈來越多，所以隨著Er元素的增多，時效過程中，Mg2Sn相減少，稀土相MgSnEr增多。

圖4 Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金時效150℃保溫48h的XRD分析

（2）Mg-Zn-Sn-Er合金時效析出機(jī)制。Mg-Zn-Sn-Er合金時效析出主要包括MgZn2相，Mg2Sn相和MgSnEr相的時效析出。

①M(fèi)gZn2相的時效析出行為

鋅在鎂中的平衡固溶度隨著溫度的升高而大大降低，鋅在鎂中的過飽和固溶體的受控分解可產(chǎn)生顯著的時效硬化作用。對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～9%的Zn且在120～260℃等溫時效的Mg-Zn合金，強(qiáng)化的沉淀相為 '1β和[4-5]。亞穩(wěn)態(tài)相形成為棒狀，其長軸平行于α-Mg基體的[0 0 0 1]方向，而亞穩(wěn)態(tài)相'2β在（0 0 0 1）生成。圖5在Mg-Zn-Sn-Er合金在150℃時效24h后，可以檢測到針狀顆粒，可以清楚地看到長徑比很高的長針。

圖5 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金在150℃時效24h的TEM圖像

在時效48h的樣品中，如圖6所示，平行于[0 0 0 1]方向的棒狀或者片層狀沉淀相的數(shù)量密度明顯高于平行于（0 0 0 1）板狀的數(shù)量密度。除了這兩種主要的沉淀形態(tài)外，在α-Mg基體中還檢測到一些塊狀顆粒。并且從[0 0 0 1]方向觀察，大多數(shù)平行于[0 0 0 1]方向棒狀或者片層狀具有菱形的橫截面，因此將它們稱為桿。這個桿狀相是。隨著時效時間的延長，沉淀相逐漸以MgZn2相析出。

圖6 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金在150℃時效48h的TEM圖像

②Mg2Sn相的時效析出行為

Mg-5Zn-3Sn-1.5Er合金在150℃時效24h的樣品中，可以看出形成了以面心立方FCC-Mg2Sn顆粒。由于時效過程中，Zn原子的擴(kuò)散能力比Sn原子強(qiáng)，MgZn2相優(yōu)先進(jìn)行沉淀析出，然后Mg2Sn顆粒主要生長在尖端附近的MgZn2針上。Mg2Sn一般垂直于較長MgZn2針，呈現(xiàn)短條狀。尤其是Mg2Sn易于在MgZn2針的端部生長，如圖7所示。

圖7 Mg-5Zn-3Sn-1.5Er合金在150℃時效24h的TEM圖像

③MgSnEr相的析出特征

圖8（a）為Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金時效150℃保溫72h的TEM微觀組織，對其進(jìn)行面掃，從圖上可以看出在白色方框內(nèi)灰色組織為MgZn2相，而白色組織為MgSnEr相，發(fā)現(xiàn)MgSnEr相依附于MgZn2相上生長。結(jié)合EDS（圖8（b）～（e））表明，在該第二相顆粒中，Zn、Sn、Er有明顯的偏聚，與TEM圖像對應(yīng)，說明合金中存在著MgSnEr以MgZn2作為形核質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行異質(zhì)形核的現(xiàn)象，從而可以在一定程度上促進(jìn)MgSnEr顆粒相的析出。

圖8 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金時效150℃保溫72h的TEM微觀組織及其EDS

3.結(jié)論

（1）Mg-5Zn-3Sn-xEr（x=0、0.5、1、2）合金通過335℃保溫24h，440℃保溫24h，480℃保溫18h的三級固溶后鑄態(tài)下凝固的相全部固溶于基體中。

（2）時效后，MgZn2的沉淀相以平行于α-Mg基體的[0 0 0 1]方向析出和在（0 0 0 1）生成。

（3）Mg2Sn一般垂直于較長MgZn2針，呈現(xiàn)短條狀，易于在MgZn2針的端部生長。

（4）MgSnEr以MgZn2作為形核質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行異質(zhì)形核。