Mg—Re系列合金熱處理的顯微組織研究

摘 要：在鎂中加入Nd、Gd、Zn、Zr等合金元素，熔煉制備了Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金，制定不同的熱處理工藝對上述合金進行熱處理，包括：530℃（5h）空冷處理。530℃（5h）空冷+220℃（10h）處理，220℃（10h）處理。對不同狀態下的Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金的物相成分、顯微組織研究了不同合金元素，不同熱處理工藝對Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金顯微組織的影響。

關鍵詞：Mg-Re合金；熱處理；顯微組織

作為21世紀重要的輕質結構材料，鎂合金與其他金屬結構材料相比，具有比強度、比剛度高，減震性、電磁屏蔽和抗輻射能力強，易切削加工，易回收等一系列優點。鎂合金中稀土元素的加入，能夠起到去氧除氫，提高鑄造性能，提高強度特別是高溫強度和蠕變性能等作用，這大大拓展了鎂合金的應用領域。

1 試驗材料及方法

采用Mg-Nd-Gd-Zn，Mg-Nd-Gd-Zn-Zr鑄造合金作為試樣，其成分如表1.1所示。

采用二種鎂合金，熔煉設備為坩堝電阻爐。所用的爐料為Mg錠[WMG=99.9%]，Mg-Nd中間合金，Mg-Gd中間合金，Zn錠，Mg-Zr中間合金和覆蓋劑，其覆蓋劑是用熔鹽KCl、NaCl以WKCl：WNaCl=7：3的比例制備。

2 試驗結果與討論

2.1 Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金的物相分析

利用X射線衍射儀對鑄態和經熱處理的Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金進行物相分析。鑄態和經220℃（10h）處理后的Mg-Nd-Gd-Zn合金主要是由基體α-Mg、MgZn2和GgMg5.05三種物相組成；經530℃（5h）空冷和530℃（5h）空冷+220℃（10h）處理后的Mg-Nd-Gd-Zn合金主要由α-Mg、MgZn2、Mg41Nd5三種物相組成。鑄態和經220℃（10h）處理后的Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金主要是由基體α-Mg、MgZn2和NdZn5三種物相組成；經530℃（5h）空冷和530℃（5h）空冷+220℃（10h）處理后的Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金主要由α-Mg、MgZn2、Mg41Nd5三種物相組成。對比可知，Mg-Nd-Gd-Zn合金中加入Zr元素，并沒有生成Zr的化合物，這是因為Zr元素在合金中含量很少，沒有形成Mg-Zr合金中間相，但Zr的加入破壞了原有元素之間的結合方式，使合金元素重新結合生成新的物相，即NdZn5。

2.2 Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金顯微組織的觀察與分析

由于鎂合金極易被氧化，形成氣泡，金相試樣經常出現假象，所以應精心將合金制成合格的金相試樣，以保證觀察到的顯微組織的真實性。Mg-Nd-Gd-Zn合金鑄態的顯微組織為白色物相為基體α-Mg固溶體，在晶界處分布著大量黑色掃帚狀的網狀組織和形狀不規則的塊狀物，由此可見，鑄態的鎂合金組織成分偏析比較嚴重。圖2.2-a為Mg-Nd-Gd-Zn合金220℃（10h）處理的顯微組織，從中可以看出，它們和鑄態時的組織形態沒有明顯差別，只是分散在晶界上的塊狀物的大小和數量有所減小，與之對應的物相分析結果中衍射峰值的減弱也認證了這一點。圖2.2-b，為Mg-Nd-Gd-Zn合金530℃（5h）空冷處理的顯微組織，我們可以發現晶粒尺寸增大，晶界明顯變細，鑄態時存在于晶界處的黑色掃帚狀組織消失，有明顯的顆粒狀沉淀分布在晶界處，與之對應的物相分析結果顯示鑄態時存在的物相GgMg5.05消失，有新物相Mg41Nd5生成，與之相符。Mg-Nd-Gd-Zn合金530℃（5h）空冷+220℃（10h）處理的顯微組織，與530℃（5h）空冷處理相比，其物相沒有改變，但分布在晶界處的顆粒狀沉淀更加均勻而彌散。

Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金的顯微組織，其鑄態和經上述熱處理后的顯微組織分布及變化規律與Mg-Nd-Gd-Zn合金基本一致，但不同的是，它的晶粒比起Mg-Nd-Gd-Zn合金更加細小而且均勻。這是因為Zr元素的加入，使得合金中含有的合金化元素增多，整個合金的混亂度增大，結晶時分割、阻礙晶體生長的物相增多，細化晶粒的效果也就更加顯著。鑄態的Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金經過220℃（10h）處理后晶粒有所長大，但由于合金元素的擴散和合金相的分解過程都極其緩慢，220℃（10h）這種處理的溫度和時間都不足以讓顯微組織形態發生明顯改變。

3 結論

Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金顯微組織中可觀察到共晶組織，即加入Zn、Zr時，有共晶相變發生，產生的共晶組織分割晶體，有較強的細化晶粒效果。Zn是除鋁以外的另一種非常有效的合金化元素，具有固溶強化和第二相強化的雙重作用。Zr元素具有細化晶粒和提高合金力學性能的作用，Zr在液態中的溶解度很小，液態金屬結晶時，Zr首先以α-Zr的質點析出，α-Zr與Mg均屬于密排六方晶體，而且晶格常數非常接近，因此液態金屬中的Zr就成為合金結晶的核心，從而促使晶粒細化。此外，Zr還能減緩合金元素的原子擴散速度，阻止晶粒長大。

[參考文獻]

[1]高洪吾，胡曉菊，李長茂，等.稀土元素Y和Nd對Mg-6Al合金顯微組織的影響[J].特種鑄造及有色合金，6，29-31，2004.