高強Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的微觀組織和力學性能

王振東，房燦峰，孟令剛，李乃樸，吳友芳，張興國

(大連理工大學 材料科學與工程學院，大連 116024)

高強Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的微觀組織和力學性能

王振東，房燦峰，孟令剛，李乃樸，吳友芳，張興國

(大連理工大學 材料科學與工程學院，大連 116024)

通過金屬模鑄、熱擠壓和時效處理(T5)工藝過程制備出高強 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金，并利用光學顯微鏡、XRD、SEM 及 TEM 分析研究 Mg合金不同狀態下的顯微組織和力學性能。結果表明：Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金的鑄態組織主要由α-Mg基體和沿晶界分布的片層狀第二相Mg12Zn(Gd, Y)組成，經過熱擠壓變形后，合金晶粒顯著細化，時效處理過程中Mg12Zn(Gd, Y)相上析出少量細小的顆粒狀Mg3Zn3(Gd, Y)2相。時效態合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別達到446 MPa、399 MPa和6.1%，其強化方式主要為細晶強化和第二相強化。

高強鎂合金；稀土；熱擠壓；時效處理；力學性能

近年來，鎂合金作為最輕的金屬結構材料，其應用研究備受矚目。由于鎂合金具有高比強度、高比剛度和良好的減震降噪特性、電磁屏蔽性能及良好的機械加工性能、易回收性等諸多優點，被廣泛應用于汽車、通訊和航天航空等行業[1-4]。但是鎂合金較低的力學性能和較差的塑性變形能力制約了其應用領域，因此，提高鎂合金的強度和塑性是亟待解決的問題。

在鎂合金中添加稀土元素是提高其力學性能的有效途徑。研究表明，含有Gd和Y的鎂合金具有很好的時效硬化特性，因而可以通過添加Gd和Y等稀土元素大幅度提高鎂合金的力學性能[5-6]。近年來，Mg-Gd系、Mg-Y系、Mg-Zn-Y系和Mg-Gd-Y系合金由于具有良好的室溫力學性能引起了研究者的廣泛關注。ROKHLIN等[7]和KAMADO等[8]發現Mg-20%Gd的抗拉強度優于傳統WE54的。KAWAMURA等[9]通過快速凝固粉末冶金(RS/PM)法制備出的 Mg97Zn1Y2合金的屈服強度可高達610 MPa，強化作用主要是源于晶粒的細化和Mg-Y合金中添加Zn元素所形成的強化相，該強化相具有長周期堆垛結構(LPSO)，能夠較大幅度地提高合金的力學性能。GAO等[10]研究了經T6時效處理后Mg-15Gd-4Y-0.5Zr合金，其抗拉強度為 276.9 MPa，彭卓凱等[11]研究了 Mn和 Zr對Mg-Gd-Y合金組織與力學性能的影響，結果發現 T5態Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金具有較高的強度，其抗拉強度可達370 MPa。

目前，高強Mg-RE合金系多以添加大量的Gd、Y為主提高強度，導致成本太高而且室溫伸長率過低。研究發現，Mg-RE合金加入少量Zn元素，不僅可以調控Mg-RE合金系的時效析出組織，而且在適當的加入量和工藝條件下，Mg-RE-Zn合金系還形成了除沉淀相以外的新相或結構，如準晶和長周期堆垛結構(Long period stacking ordered structure，簡稱LPSO結構)[12-13]。

本文作者以Mg-Gd-Y合金為基礎，以制備高強鎂合金為研究目的，通過適當降低Gd、Y元素的加入量，并添加適量 Zn元素以期獲得 Mg-Zn-RE合金中的LPSO結構強化相，同時加入微量Zr元素細化晶粒。采用常規金屬模鑄法制備 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金，通過均勻化、熱擠壓和時效處理等工藝進一步改善力學性能。

1 實驗

實驗合金采用純Mg(質量分數，99.9%)、Zn(99.9%)以及Mg-30%Gd、Mg-30%Y、Mg-30%Zr中間合金為原料，采用鎂合金專用覆蓋劑進行熔體保護，以高純Ar對熔體進行精煉處理。金屬鑄模預熱到300℃左右，澆注過程中，采用(CO2+SF6)混合氣氛保護。所制備合金的實測化學成分如表1所示。

表1 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金實測化學成分Table1 Chemical composition of Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr alloy (mass fraction, %)

將鑄錠經520 ℃均勻化處理12 h后，加工成d 106 mm×45 mm的圓柱形試樣，在3 000 kN的壓力機上將其擠壓成直徑為d 35 mm的圓棒，擠壓比為10∶1；擠壓溫度為400 ℃，擠壓速率為0.1 mm/s。將擠壓后的棒材進行T5時效處理，時效溫度為200 ℃。為了確定合金峰時效的時間，進行了不同時效時間下的硬度測試。結果表明，合金在40 h左右出現峰時效，故本實驗選取的時效處理時間為40 h。

采用MEF4A型多功能金相顯微鏡觀察不同狀態下合金的顯微組織，采用JSM-5600LV型掃描電鏡、EDS附件和Tecnai G220 S-Twin型透射電鏡對不同狀態試樣進行顯微組織與微區成分分析，利用 DNS100型力學性能測試儀進行室溫力學性能測試。試樣的拉伸速率為2 mm/min。

2 結果與討論

2.1 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金的微觀組織

不同狀態下 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金的顯微組織、SEM像和對應的XRD譜以及時效處理后合金的TEM像分別如圖1~4所示。從圖1(a)和1(b)所示的鑄態顯微組織并結合圖2(a)所示的XRD譜可以看出，合金鑄態下α-Mg為粗大的樹枝晶，平均晶粒尺寸為90 μm左右。合金鑄態組織中粗大的、呈片層狀的第二相Mg12Zn(Gd, Y)沿晶界呈不連續網狀分布，并且沿一定的方向排列。以較小的顆粒并呈團簇狀聚集的形狀不規則的相經 XRD衍射分析確定主要為Mg24(Gd,Y,Zn)5相。

從圖1(c)可以看到，Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金經過均勻化處理后，部分第二相被溶解到 α-Mg基體中，晶界上均勻分布著板條形態網狀的Mg12Zn(Gd, Y)相和呈塊狀、顆粒狀的Mg24(Gd,Y,Zn)5相。

合金經過400 ℃熱擠壓變形后，從圖1(d)看出，晶粒尺寸比擠壓前明顯減小，由90 μm左右減小到30 μm左右。由圖1(e)可以觀察到，經過擠壓變形后的第二相組織形貌發生了改變，原來鑄態組織中沿晶界不連續分布的Mg12Zn(Gd, Y)相在擠壓的過程中被擠碎。然而，大部分的Mg12Zn(Gd, Y)相依然被保留下來，并且基體組織和第二相明顯沿擠壓方向被拉長。

擠壓后經過 T5時效處理的 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金的金相組織如圖1(f)所示。由圖1(f)可見，時效處理后，在片層狀Mg12Zn(Gd, Y)相上析出少量細小的顆粒相，結合圖 2(d)所示 XRD譜可知，該相為Mg3Zn3(Gd, Y)2。

圖1 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金微觀組織Fig.1 Microstructures of Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr alloys: (a), (b) As-cast; (c) As-homogenized; (d) As-extruded transverse; (e) Asextruded longitudinal; (f) As-aged

圖2 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr alloys:(a) As-cast; (b) As-homogenized; (c) As-extruded; (d) As-aged

表2 圖3(a)中A點對應的EDS分析Table2 Corresponding EDS results of point A in Fig. 3(a)

圖3所示為Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金鑄態和時效處理后的SEM像。圖3(a)中A點所對應的EDS分析結果見表 2。從 EDS分析結果可以看出，Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金從鑄態至時效態一直保留下來的片層狀第二相為 Mg-6.53Y-2.02Gd-5.14Zn(摩爾分數，%)，其結構近似于18R型LPSO結構[14]。結合TEM觀察Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金從晶界到晶粒內部的組織形貌(如圖4所示)可知，具有LPSO結構的 Mg-6.53Y-2.02Gd-5.14Zn(摩爾分數，%)相不僅分布在晶界上，并且一直過渡到晶粒內部。

圖3 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金SEM像Fig.3 SEM images of Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr alloys: (a) As-cast; (b) As-aged

圖4 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金TEM像Fig.4 TEM images of Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr alloys: (a) Grain boundary; (b) Grain boundary combined with matrix; (c) Grain boundary close to grain inner; (d) Intra-crystalline

2.2 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金的力學性能

Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金室溫力學拉伸性能測試結果如表3所列。由表3可知，鑄態抗拉強度和屈服強度僅為185和127 MPa；通過熱擠壓變形可大幅度提高其力學性能，擠壓態抗拉強度和屈服強度分別達到383和326 MPa，比鑄態分別提高了107.0%和156.7%，伸長率達 7.2%，比鑄態提高了 37.5%。T5時效處理后抗拉強度和屈服強度分別為 446和 399 MPa，比擠壓態分別提高了 16.5%和 22.4%，但是伸長率從 7.2%下降為 6.1%。可以看出，Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金在獲得優良極限抗拉強度的同時保持了良好的塑性。伸長率在擠壓狀態下處于較高水平，但時效處理造成伸長率略有下降。原因是時效過程中析出的Mg3Zn3(Gd, Y)2相阻礙位錯運動，增加了變形抗力，使得在強度增加的同時塑性有所降低。因此，高強度與高塑性的最佳匹配有待進一步研究。

表3 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金力學性能Table3 Mechanical properties of Mg-7Y-4Gd-1.6Zn-0.5Zr alloy

熱擠壓態 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金抗拉強度的提高主要歸因于晶粒細化強化效應。經過擠壓變形，晶粒大小與鑄態相比明顯細化，分布較鑄態均勻。由Hall-Petch公式可知，晶粒尺寸的減小能夠有效地提升材料的抗拉強度。NUSSBAUM 等[15]研究發現，對于六方結構的鎂合金來說，晶粒大小對強度產生的影響遠比對立方結構的材料大得多。

經時效處理后，Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金強度繼續增加的主要原因則是時效過程中析出的細小強化相能夠有效地阻礙位錯運動。TEM 觀察到的片層狀 Mg-6.53Y-2.02Gd-5.14Zn(摩爾分數，%)相可使晶界與基體具有較高的結合強度，能夠有效地阻礙晶粒間的相互運動，對于提高合金的抗拉強度有著積極的影響。同時，合金中沿晶界分布的片層狀的Mg12Zn(Gd,Y)強化相具有良好的變形塑性，對提高Mg-Gd-Y系和Mg-Zn-Y系鎂合金強度和塑性有著重要的影響[16-18]。因此，合金在具有較高的強度和硬度的同時也具有較好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學性能。

圖5所示為合金拉伸試樣鑄態和時效態的斷口形貌。由圖5可以看出，在鑄態下合金斷口呈現出不同程度的晶粒多面體外形的巖石狀花樣，為晶間斷裂，表明該合金鑄態下塑性較差。這是由于合金屬于六方晶系，滑移系少，合金通過滑移、孿生和扭折實現整體變形的協調。但當應變達到比較大的程度時，協調變形就難以進行，從而導致裂紋萌生和擴展。經擠壓和時效處理后，合金宏觀斷口上分布著一定數量的大小不一的韌窩，斷口形貌主要由撕裂棱構成。這是由于晶粒得到明顯細化，合金整體變形協調能力提高，減少了位錯塞積，因此，擠壓和時效處理后的Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金具有較好的塑性變形能力。

圖5 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金拉伸斷口的SEM像Fig. 5 SEM images of tension fractures of Mg-7Gd-4Y-16Zb-0.5Zr alloys: (a) As-cast; (b) As-aged

3 結論

1) Mg12Zn(Gd, Y)是 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金鑄態組織中的主要第二相，呈片層狀沿晶界不連續網狀分布，經過擠壓變形后，部分沿晶界分布的片層狀第二相被擠碎并沿晶界方向被拉長。

2) Mg12Zn(Gd, Y)相呈LPSO結構，且Mg12Zn(Gd,Y)相從晶界延續至晶內，阻礙晶粒之間的相對滑動，有效地提高了 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金的力學性能并具有良好的變形塑性。

3) 通過合理的熱擠壓和時效處理工藝，成功制備出具有優良綜合力學性能的 Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr合金，抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為446 MPa、399 MPa和6.1%。

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Microstructures and mechanical properties of high-strength Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy

WANG Zhen-dong, FANG Can-feng, MENG Ling-gang, LI Nai-pu, WU You-fang, ZHANG Xing-guo
(School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

High-strength Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr alloy was prepared by conventional metal mold casting，subsequently hot extrusion and T5 heat treatment were conducted. The microstructures and mechanical properties of this Mg alloy under different states were studied by using OP, XRD, SEM and TEM. The results show that the as-cast microstructures of Mg-7Gd-4Y-1.6Zn-0.5Zr alloy consists of α-Mg matrix and lamellar second-phase Mg12Zn(Gd, Y) phase which distributes around α-Mg matrix. After hot extrusion, the grain size of this alloy can be refined dramatically. Tiny little particle Mg3Zn3(Gd, Y)2phase is precipitated out of the Mg12Zn(Gd, Y) phase during the process of T5 heat treatment.The tensile strength, yield strength and elongation of alloys under T5 condition reach 446 MPa, 399 MPa and 6.1%,respectively. The main strengthening methods are considered as fine grain strengthening and second-phase strengthening.

high-strength magnesium alloy; rare earth; hot extrusion; T5 heat treatment; mechanical property

TG146.2

A

1004-0609(2012)1-0001-06

國家自然科學基金資助項目(50875031)

2011-02-17；

2011-05-26

張興國，教授，博士；電話：0411-84706183; E-mail: zxgwj@dlut.edu.cn

(編輯 何學鋒)