擠壓和等通道角擠壓制備高強度Mg97Y2Zn1鎂合金

陳 彬 ，林棟樑 ，曾小勤 ，3，4，盧 晨 ，3，彭穎紅

(1. 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240；2. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；3. 上海交通大學 輕合金精密成型國家工程研究中心，上海 200240；4. 上海交通大學 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200240)

擠壓和等通道角擠壓制備高強度Mg97Y2Zn1鎂合金

陳 彬1，2，3，4，林棟樑1，曾小勤1，3，4，盧 晨1，3，彭穎紅2

(1. 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240；2. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；3. 上海交通大學 輕合金精密成型國家工程研究中心，上海 200240；4. 上海交通大學 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200240)

采用常規擠壓和等通道角擠壓工藝加工得到高強度Mg97Y2Zn1鎂合金。結果表明：常規擠壓后，鎂合金晶粒尺寸為0.5～2.0 μm，屈服強度、抗拉強度和伸長率分別達到352 MPa、413 MPa和10%。常規擠壓后再經過等通道角擠壓，晶粒尺寸被進一步細化到300～400 nm，屈服強度和抗拉強度進一步提高到400 MPa和450 MPa。在鑄態、常規擠壓態和等通道角擠壓態的Mg97Y2Zn1合金中，都發現有長周期有序的精細層狀結構存在，其產生與基體中溶有少量Y和Zn元素有關。晶粒細化和精細層狀結構的存在是材料高強度的原因。

鎂合金；Mg97Y2Zn1；等通道角擠壓；力學性能；高強度；長周期有序結構

鎂合金是密度最低的金屬結構材料，在汽車、國防軍工和航空航天領域有著十分廣泛的應用前景。但鎂合金存在強韌性低以及塑性差等缺點，制約了鎂合金材料的應用。最近，人們發現在快速凝固和粉末冶金條件下制取的Mg97Y2Zn1(摩爾比為97∶2∶1)合金具有很高的強度并具有一定的伸長率，分別達到610 MPa和5%[1]，這是目前制成的強度最高的鎂合金。然而，快速凝固和粉末冶金的加工過程比較復雜，鎂合金粉末又具有很強的活性，由于爆炸等安全問題以及投資風險比較高，該加工方法還不能進行批量生產。

等通道角擠壓法(Equal channel angular pressing，ECAP)是由前蘇聯的SEGAL等[2]于20世紀80年代初首次提出的，經發展，近幾年來在國內外引起重視，被用于加工超細晶粒材料的研究。LEE等[3]利用等通道角擠壓法制備了晶粒尺寸約為350 nm的1050鋁合金。ZHAO等[4]利用等通道角擠壓法制備了晶粒尺寸小于300 nm的等軸超細晶7075鋁合金。此外，還有一些關于對AZ系列和ZK系列鎂合金等通道角擠壓的研究[5?11]。經等通道角擠壓加工得到的純金屬、合金、金屬間化合物和陶瓷基復合材料等已經開始投入到實際應用中[12?14]。

本文作者采用常規擠壓和等通道角擠壓等方法，取代快速凝固和粉末冶金技術，制取塊體高強度、超高強度Mg97Y2Zn1鎂合金，并研究常規擠壓和等通道角擠壓工藝對Mg97Y2Zn1合金的組織結構和力學性能的影響，探討該合金的強化機理。

1 實驗

選用純鎂(99.99%)、純鋅(99.99%)、Mg-25%Y中間合金為母合金進行熔煉制備Mg97Y2Zn1鎂合金。熔煉保護氣體是 SF6和 CO2的混合氣體(0.3%SF6，99.7%CO2，體積分數)。熔煉制得的合金鑄錠在560 ℃保溫12 h后，在400 ℃溫度下進行擠壓比為12.25∶1的熱擠壓實驗。擠壓后的材料在內角 90?、外角 0?的ECAP模具進行等通道角擠壓，擠壓方式為Bc[15?16]，擠壓速度為25.2 mm/min，擠壓溫度為350 ℃，二步降溫ECAP是在350 ℃經過4道次ECAP后降溫到330℃再進行2道次的ECAP。

本研究選用江南 XJL-03光學顯微鏡對試樣進行光學顯微觀察。高倍顯微組織、第二相的組成和形貌采用LEO1450掃描電子顯微鏡(SEM)系統的二次電子探測器和四象限背散射電子探測器分析，加速電壓為10~20 kV。能譜儀為OxfordINCA7500，分辨率為137 eV。合金的透射電子顯微鏡(TEM)觀察在JEOL?2010透射電子顯微鏡上進行，觀察用電壓為200 kV。合金的常溫拉伸試驗在德國 ZWICK公司生產的Zwick/Roell T1-FR020TN A50萬能材料實驗機上進行。

2 結果與分析

2.1 材料的組織

2.1.1 鑄態組織

圖1所示為鑄態Mg97Y2Zn1合金的顯微組織。從圖1(a)和(b)可見，鑄態Mg97Y2Zn1合金是典型的樹枝狀晶，第二相沿著晶界呈連續網狀分布，其結構具有明顯的層狀結構特征，第二相和基體有交替生長現象。為了更仔細地分析這種現象，在透射電鏡下對其進行觀察(見圖1(c))。由圖1(c)可看出，在大塊第二相的內部也存在著鎂基體(見圖中箭頭)。除了第二相具有層狀結構特征外，在靠近第二相的基體也存在精細層狀結構，其方向和第二相一致(圖1(c)左下半部)。Mg97Y2Zn1合金的這種情況有可能與Y和Zn元素在基體上的少量分布有關。

2.1.2 常規擠壓態組織

圖2所示為Mg97Y2Zn1合金經過常規擠壓后的金相照片。從圖2可以看到，經過擠壓變形后，合金呈現出典型的擠壓組織形貌，原始組織被拉長，沿擠壓方向排列呈現擠壓流線狀。經過擠壓后的合金只有在原始晶界和第二相附近發生部分再結晶，晶粒尺寸非常細小，基體仍有大量未再結晶組織。原來呈網狀分布的第二相被拉長呈長條狀沿擠壓方向分布，并沒有出現明顯的裂紋，這說明第二相具有較好的塑性[17]。

圖1 鑄態Mg97Y2Zn1合金的顯微組織Fig.1 Microstructures of as-cast Mg97Y2Zn1 alloy: (a) OM; (b) SEM; (c) TEM

為了進一步研究Mg97Y2Zn1合金擠壓后的組織，對擠壓后的 Mg97Y2Zn1合金進行掃描電鏡觀察(見圖3)。從圖3可以看到，基體只有部分區域發生再結晶，再結晶晶粒尺寸非常細小，材料還處于再結晶初期。這說明較高的Y元素含量提高了合金的再結晶溫度，抑制了合金再結晶的發生。從形貌上看，再結晶區域呈長條帶狀分布在原始晶界處。這是因為原始晶界處存在的晶格畸變、元素偏析以及第二相等都能阻礙、塞積，因此會有很高的位錯密度，進而形成高位錯密度區，即高儲能區，對再結晶的形核有利。另一方面，第二相和晶界也可以成為核的一部分界面，從而減小形核的阻力。

圖2 Mg97Y2Zn1合金的擠壓態金相照片Fig.2 OM photographs of as-extruded Mg97Y2Zn1 alloy

2.1.3 等通道角擠壓態

圖3 擠壓態Mg97Y2Zn1合金的背散射電子像Fig.3 BSE image of as-extruded Mg97Y2Zn1 alloy

圖4 Mg97Y2Zn1合金在350 ℃下經過不同道次等通道角擠壓層的組織演變Fig.4 Microstructures evolution of Mg97Y2Zn1 alloy during ECAP process at 350 ℃: (a) 0 pass; (b) 1 pass; (c) 2 passes; (d) 4 passes; (e) 6 passes; (e) 8 passes

圖4所示為常規擠壓后的Mg97Y2Zn1合金在350℃下經過不同道次數等通道角擠壓后的金相照片。從圖4(a)和4(b)可看出，在350 ℃下經過等通道角擠壓1道次后，第二相出現扭曲變形。隨著等通道角擠壓道次數的增加，第二相被不斷切斷，越來越細，同時更多的第二相碎片從第二相主體上脫離，分布也趨于更均勻(見圖4(b)~(f))。從圖4(f)可看到，第二相的分布已經非常均勻，已經看不出等通道角擠壓前呈現的方向性。

2.2 元素分布

為了證實基體上形成的精細層狀結構是因為Y和Zn元素在基體上少量分布所產生的，分別在第二相位置A、靠近第二相的基體位置B以及基體中心位置C進行能譜分析(見圖5)。能譜分析結果如表1所列。由表1可以看出，第二相的Y和Zn元素含量要明顯高于基體的Y和Zn元素含量；而同在基體上，靠近第二相位置的 Y和 Zn元素含量要略高于基體中心位置的。

圖6所示為合金的電子探針面掃描結果。由圖6可看出，Y和 Zn元素主要在第二相處偏析，而在基體上廣泛分布著Y和Zn元素。結合前面的金相照片、掃描電鏡照片以及能譜分析，可以說明基體上的精細層狀組織與基體中溶有Y和Zn元素有關。

2.3 透射電鏡

圖5 鑄態Mg97Y2Zn1合金的SEM像Fig.5 SEM image of as-cast Mg97Y2Zn1 alloy

表1 鑄態Mg97Y2Zn1合金的化學成分分布Table 1 Chemical composition distribution of as-cast Mg97Y2Zn1 alloy

圖6 鑄態Mg97Y2Zn1合金的電子探針分析Fig.6 Electron probe microanalysis (EPMA) of as-cast Mg97Y2Zn1 alloy (a) and distribution of Mg (b), Y (c) and Zn (d)

圖7 鑄態Mg97Y2Zn1合金的TEM像及基體中心位置、第二相和靠近第二相基體的選區電子衍射花樣Fig.7 TEM image of as-cast Mg97Y2Zn1 alloy (a) and selected area diffraction (SAD) patterns of areas A (b), B (c) and C (d) in Fig.(a)

圖7所示為鑄態Mg97Y2Zn1合金的TEM及選區電子衍射花樣照片。圖7(a)中標有A、B、C的分別是基體中心位置、第二相以及靠近第二相的鎂基體。圖7(b)~(d)所示分別為A、B和C處的電子衍射花樣。根據對選區電子衍射花樣的分析，A處的是鎂基體，而B處是具有長周期18R結構的X相—Mg12ZnY的超點陣晶格結構。值得注意的是，在位置C得到的電子衍射花樣和A和B位置的不同，很明顯在C的花樣密度介于第二相和鎂基體之間，說明基體可能形成了一種周期為6的長周期有序的6H結構。目前已發現，在Mg97Y2Zn1合金內有6H、10H、14H、18R和24R等多種長周期有序結構[18]。由此分析，由于合金的第二相Mg12YZn其本身具有18R長周期結構，當基體的某些部位由于也溶有Y和Zn元素，雖然濃度達不到第二相的，但如果條件合適，也可以形成介于 2H與18R結構之間的長周期有序結構，正如在鎂基體上可以看到精細層狀結構。至于具體結論，還有待于進一步研究。

圖8 擠壓態Mg97Y2Zn1的TEM像Fig.8 TEM image of extruded Mg97Y2Zn1 alloy

圖8所示為擠壓態Mg97Y2Zn1的TEM像。從圖8可以看出，材料經過擠壓，組織被大大細化，平均晶粒尺寸為0.5~2.0 μm；在晶粒內部發現存在有精細層狀結構，該結構在各晶粒內部的方向是一致的(見圖中箭頭)。

圖9所示為經過常規擠壓的 Mg97Y2Zn1合金在350 ℃經過4道次等通道角擠壓后降溫到330 ℃再進行2道次等通道角擠壓的Mg97Y2Zn1合金的TEM像。從圖9可以看到，合金的晶粒尺寸被進一步細化到300~400 nm；在晶粒內部同樣發現存在有精細層狀結構。

圖9 等通道角擠壓態Mg97Y2Zn1的TEM像Fig.9 TEM images of ECAP processed Mg97Y2Zn1 alloy

2.4 力學性能

圖10所示為Mg97Y2Zn1合金經過常規擠壓和不同道次等通道角擠壓后的力學性能。由圖10可以看出，經過常規擠壓，合金的屈服強度和抗拉強度分別達到352.01 MPa和412.83 MPa，同時伸長率還有10%。再經過350 ℃等通道角擠壓后，材料的強度得到進一步提高，特別是經過在350 ℃等通道角擠壓4道次和330℃等通道角擠壓2道次后，屈服強度和抗拉強度分別達到400和450 MPa。由此可見，經過常規擠壓和等通道角擠壓加工后，Mg97Y2Zn1合金具有較好的力學性能。

圖10 Mg97Y2Zn1合金常規擠壓和不同道次等通道角擠壓后的力學性能Fig.10 Mechanical properties of Mg97Y2Zn1 alloys after extruded and ECAP processed different passes (4+2 passes: 2 passes at 330 ℃ after 4 passes at 350 ℃)

細晶強化和長周期有序結構被認為是快速凝固和粉末冶金技術制備得到高強度Mg97Y2Zn1合金的主要原因。而通過擠壓和等通道角擠壓制備的 Mg97Y2Zn1合金，晶粒也被細化，甚至得到超細晶，在晶粒內部也存在有長周期有序結構。因此，其優異的力學性能與加工得到的超細晶以及晶粒內部存在有長周期有序結構有關。

3 結論

1) 等通道角擠壓不僅可以碎化第二相，而且使第二相彌散分布。

2) 常規擠壓后的 Mg97Y2Zn1合金的平均晶粒尺寸為0.5~2 μm，再經等通道角擠壓后，晶粒尺寸被進一步細化到為300~400 nm。

3) 在鑄態、擠壓態和等通道角擠壓態的Mg97Y2Zn1合金中，發現有精細層狀結構存在，其產生與基體中溶有少量Y和Zn元素有關。

4) 通過常規擠壓和等通道角擠壓工藝，可以得到高強度Mg97Y2Zn1合金。經過常規擠壓，屈服強度、抗拉強度和伸長率分別達到 352 MPa、413 MPa和10%。經過常規擠壓后，再經過等通道角擠壓后的Mg97Y2Zn1合金，屈服強度和抗拉強度分別提高到400 MPa和450 MPa。

5) 晶粒細化和精細層狀結構的存在是導致材料高強度的原因。

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High strength Mg97Y2Zn1alloy processed by extrusion and equal channel angular pressing

CHEN Bin1,2,3,4, LIN Dong-liang1, ZENG Xiao-qin1,3,4, LU Chen1,3, PENG Ying-hong2
(1. School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;3. National Engineering Research Center for Light Alloy Net Forming, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;4. National Key Laboratory of Metallic Matrix Composite Material, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The high strength Mg97Y2Zn1alloy processed by extrusion and equal channel angular pressing was investigated. The results show that after extrusion, the processed Mg97Y2Zn1alloy obtains ultrafine grains with average grain size of 0.5?2.0 μm, and exhibits excellent mechanical properties with yield strength, ultimate tensile strength and elongation of alloy of 352 MPa, 413 MPa and 10%, respectively. After extrusion and equal channel angular pressing, the average grain size is 300?400 nm, the yield strength and ultimate tensile strength of the alloy are 400 MPa and 450 MPa,respectively. The long-period stacking lamellar structure is observed in the as-cast, extruded and ECAP processed Mg97Y2Zn1alloy, the formation of which is due to the solid solution of Y and Zn. The excellent mechanical properties of Mg97Y2Zn1alloy are attributed to the grain refinement and the long-period stacking structure.

Magnesium alloy; Mg97Y2Zn1; equal channel angular pressing; mechanical properties; high strength;long-period stacking structure

TG146.2

A

1004-0609(2010)04-0613-07

國家自然科學基金資助項目(50471015)

2008-11-25；

2009-11-28

陳 彬，博士；電話：021-34202765；E-mail：steelboy@sjtu.edu.cn

(編輯 李艷紅)