時效溫度對含準晶相Mg93Zn6Y1合金的組織及性能影響*

萬迪慶，利助民，葉舒婷

(華東交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330013)

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時效溫度對含準晶相Mg93Zn6Y1合金的組織及性能影響*

萬迪慶，利助民，葉舒婷

(華東交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330013)

摘要：采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射及能譜分析，研究了鑄態(tài)、固溶處理及在不同溫度下時效處理的Mg93Zn6Y1合金的顯微組織。發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金顯微組織主要由α-Mg和I相組成。經(jīng)過固溶處理后，晶界處準晶相發(fā)生熔斷，由鑄態(tài)下的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)轭w粒狀。在不同的時效溫度下，晶界處顆粒狀準晶相長大且α-Mg晶內(nèi)出現(xiàn)顆粒狀準晶相。隨著時效溫度的升高，顆粒狀準晶相發(fā)生長大，逐漸變?yōu)槎噙呅螤罨螋~骨狀。時效溫度為300 ℃時，合金中準晶相大部分以顆粒狀均勻分布在基體上。通過硬度及耐腐蝕性能測試，發(fā)現(xiàn)時效處理可大幅提高合金的硬度及耐腐蝕性能。其中，時效溫度為300 ℃時效果最佳。

關(guān)鍵詞：Mg93Zn6Y1；準晶相；時效；硬度；耐腐蝕性能

0引言

鎂合金具有密度低、比強度、比剛度高、減振性能好等系列優(yōu)點，被譽為“21世紀最具有發(fā)展前景的材料”?？蓮V泛應(yīng)用于航空航天，軌道交通等領(lǐng)域[1-2]。鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，獨立的滑移系數(shù)目較少，且基面滑移系上的臨界分切應(yīng)力遠小于非基面滑移系上的臨界分切應(yīng)力，導(dǎo)致鎂合金的綜合力學(xué)性能差[3-4]；另外，鎂合金極易鈍化，但是鎂的氧化膜一般疏松多孔，導(dǎo)致其耐腐蝕性能較差，上述兩方面大大制約了鎂合金的應(yīng)用。大量研究表明稀土元素可以較大程度地提高鎂合金的力學(xué)性能，其中Mg-Zn-Y合金系因其組織中可形成準晶相而成為研究熱點。

準晶相首次由Shechtman在急冷快速凝固的Al-Mn合金中發(fā)現(xiàn)。該相的原子排列結(jié)構(gòu)獨特，具有2，3和5次旋轉(zhuǎn)對稱軸；同時準晶相具有高的硬度，低的摩擦系數(shù)以及優(yōu)良的物理性能[5-6]。1993年，羅治平等在Mg93Zn6Y1合金中發(fā)現(xiàn)了準晶相[7]；準晶相硬度高，與α-Mg相形成的界面穩(wěn)定，界面能大，可作為韌性基體材料的強化相[8]。準晶相的尺寸、數(shù)量及分布狀態(tài)將影響Mg93Zn6Y1合金的顯微組織以及力學(xué)性能。如果能使得細小的準晶相在鎂基體上均勻分布則可大幅度提高鎂合金的綜合力學(xué)性能。因此，改變準晶相在基體上的分布狀態(tài)成為了學(xué)術(shù)界研究的熱點。固溶時效處理是一種常見的熱處理方法，可較好地改善合金的顯微組織和提高合金綜合性能；近期，Kim等發(fā)現(xiàn)固溶溫度在350～420 ℃時，Mg-Zn-Y合金中微小的多邊形準晶相顆粒會從α-Mg基體中析出[9]。MaRong等通過對含準晶相Mg-Zn-Y-Zr合金進行等溫?zé)崽幚?，發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能得到明顯提高[10]。因此通過對Mg93Zn6Y1合金進行固溶時效處理，可以改變Mg93Zn6Y1合金中準晶相的尺寸、數(shù)量、分布狀態(tài)；從而提高合金的力學(xué)性能。

本文研究了不同時效溫度下準晶相形態(tài)、數(shù)量、分布的改變，以及其對合金硬度、耐腐蝕性能的影響。

1實驗

采用原材料為純Mg(99.95%)，純Zn(99.95%)，Mg-Y(Y：25%)中間合金。采用傳統(tǒng)的鑄造工藝，在井式電阻爐中進行熔煉，熔煉過程中采用六氯乙烷對合金進行除雜、精煉；700 ℃條件下將熔融狀態(tài)下的合金澆入金屬?？绽渲频肕g93Zn6Y1合金。從制得的Mg93Zn6Y1合金取得3組試樣，同時在430 ℃下進行固溶處理9h。隨后將固溶處理后的3組試樣分別在250，300，350 ℃的溫度條件下進行時效處理12h。顯微組織分析分別在COOLPIX-450光學(xué)顯微鏡和JSM-6360LA型電子顯微鏡上進行觀察，并利用XRD確定其物相組成。并且對經(jīng)過時效處理的3組試樣進行硬度測試，以及耐腐蝕性能測試。

2結(jié)果與討論

2.1鑄態(tài)及經(jīng)過固溶時效處理后Mg93Zn6Y1合金的顯微組織分析

2.1.1鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金的顯微組織分析

圖1為鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金的SEM圖。從圖1可看出，鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金的顯微組織主要由基體相和晶界處的第二相組成，晶界處的第二相主要是片層狀的共晶組織。

圖1　鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金的SEM圖

結(jié)合表1的EDS分析以及圖2鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金的XRD分析，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金的顯微組織主要由枝晶狀α-Mg和I相(Mg3Zn6Y1)組成。關(guān)于鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金中準晶相的形成過程仍處于爭議中。

表1　鑄態(tài)Mg93Zn6Y1合金的能譜分析

圖2　鑄態(tài)Mg93Zn6Y的X射線衍射譜

Fig2X-raydiffractionpatternofas-castMg-Zn-Yalloy

一些研究學(xué)者認為準晶相主要是通過包晶反應(yīng)形成：液態(tài)Mg93Zn6Y1合金在凝固過程中首先從液相處生成(Zn,Mg)5Y相，再發(fā)生包晶反應(yīng)L+(Zn,Mg)5YI。也有學(xué)者認為I相是通過共晶反應(yīng)生成的[11-12]。

準晶相的生成符合經(jīng)典形核理論，其晶核的形成需要克服臨界形核功[13]；合金冷卻速率慢時，固液界面能減小，更有利于準晶相晶核的形成。Mg93Zn6Y1合金中Zn，Y原子幾乎不溶于基體中，在凝固過程中首先生成枝晶狀α-Mg，Zn，Y原子被排擠到晶界處。Zn，Y原子在晶界處富集為準晶相的長大提供了成分條件。

2.1.2固溶時效處理后Mg93Zn6Y1合金的顯微組織分析

固溶處理后Mg93Zn6Y1合金的顯微組織如圖3(a)所示；Mg93Zn6Y1合金經(jīng)過430 ℃下固溶處理9h后，枝晶晶界處的準晶相發(fā)生熔斷，由鑄態(tài)下的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)轭w粒狀。圖3(b)-(g)為Mg93Zn6Y1合金在不同溫度下時效處理后的SEM圖。從圖中發(fā)現(xiàn)Mg93Zn6Y1合金經(jīng)過250 ℃時效處理12h后，晶界處顆粒狀準晶相逐漸長大，變?yōu)轸~骨狀；晶內(nèi)出現(xiàn)顆粒狀相，初步認為是準晶相。

該顆粒狀準晶相是否是從晶內(nèi)直接析出需要進一步深入研究。在300 ℃時效處理12h后，晶界處第二相從顆粒狀基本變?yōu)檫B續(xù)狀，晶內(nèi)準晶相增多，值得注意的是晶內(nèi)顆粒狀準晶相長大，少數(shù)準晶相變?yōu)槎噙呅涡螤睢?50 ℃時效處理12h后，Mg93Zn6Y1合金顯微組織中的晶界處第二相形狀多為魚骨狀，同時晶內(nèi)的準晶相長大，其形狀變?yōu)榘魻罨螋~骨狀。準晶相為耐高溫相，在時效處理的條件下，準晶相易發(fā)生長大。晶界處Zn，Y原子富集，晶界處的準晶相較晶內(nèi)更易發(fā)生長大。隨著時效溫度升高，過飽和固溶體中原子擴散速率加快，為晶內(nèi)準晶相的長大提供了成分條件[13]。表2為固溶時效處理后Mg93Zn6Y1合金的EDS分析，發(fā)現(xiàn)SEM圖中準晶相位置處，Y元素含量較高；因此可認為準晶相在富釔區(qū)更易形核，長大。

2.2固溶時效處理對Mg93Zn6Y1合金性能影響

2.2.1固溶時效處理對Mg93Zn6Y1合金硬度的影響

圖4為Mg93Zn6Y1合金經(jīng)過固溶時效處理后硬度值；從圖4看出Mg93Zn6Y1合金經(jīng)過時效處理后硬度明顯提高。當時效溫度為300 ℃時，硬度達到最大值，較固溶態(tài)增長了38.2%。準晶相優(yōu)越的物理化學(xué)性能使其成為基體中較好的強化相，可以很好地提高合金的力學(xué)性能。Mg93Zn6Y1合金在300 ℃時效處理12h后硬度達到最大值，與合金顯微組織中準晶相的分布、數(shù)量、尺寸有關(guān)。Mg93Zn6Y1合金在300 ℃下時效處理12h后，合金顯微組織中的準晶相在基體上彌散分布，且多為顆粒狀，可很好地阻礙可動位錯的運動，導(dǎo)致位錯交割，相互纏結(jié)，同時新的位錯源不斷增殖，使得位錯密度提高，從而使得合金的硬度提高[14]。

圖3　固溶時效處理后Mg93Zn6Y1合金SEM圖

Table2EDSofMg93Zn6Y1alloyaftersolidsolutiontreatmentoragingtreatment

元素MgZnY(a)430℃下固溶9h01501601701829.9690.6628.4228.8863.196.7163.5863.586.852.637.997.54(c)250℃下時效12h00100200300473.7280.8088.9365.1722.8016.9210.3630.563.482.280.714.27(e)300℃下時效12h00100200300432.5232.0333.0272.2661.9259.5160.2023.595.568.466.784.15(g)350℃下時效12h00100200300455.2169.2684.0251.7138.5527.405.4046.246.243.3410.582.05

圖4　固溶時效處理后Mg93Zn6Y1合金的硬度值

Fig4ThehardnessofMg93Zn6Y1alloyaftersolidsolutiontreatmentoragingtreatment

2.2.2固溶時效處理對Mg93Zn6Y1合金耐腐蝕性能的影響

圖5為鑄態(tài)及固溶時效處理后Mg93Zn6Y1合金的時間-腐蝕速率曲線，從曲線中看出時效處理后，合金的耐腐蝕性能明顯提高。Mg93Zn6Y1合金經(jīng)過300 ℃時效處理12h后，耐腐蝕性能最好。鎂合金的耐蝕性能主要與合金顯微組織等因素有關(guān)[15]。Mg93Zn6Y1合金經(jīng)過固溶處理后，準晶相部分固溶到基體中，合金耐腐蝕性能有所降低。隨后在時效處理過程中，α-Mg晶內(nèi)出現(xiàn)顆粒狀準晶相且晶界處準晶相長大，合金中準晶相的體積分數(shù)明顯升高，從而合金耐腐蝕性能提高。另一方面，Mg93Zn6Y1合金合金經(jīng)過300 ℃時效處理12h后，基體上的準晶相多為顆粒狀，均勻分布，耐腐蝕性能得到明顯提高。因此Mg93Zn6Y1合金耐腐蝕性能與準晶相的尺寸、數(shù)量及分布關(guān)系密切。

圖5鑄態(tài)及固溶時效處理后Mg93Zn6Y1合金的時間-腐蝕速率曲線

Fig5Corrosionrate-timecurveofas-cast,solidsolutionandagingtreatedMg93Zn6Y1alloys

3結(jié)論

(1)Mg93Zn6Y1合金在時效處理過程中，α-Mg晶內(nèi)出現(xiàn)顆粒狀準晶相。隨著時效溫度的升高，晶界處及晶內(nèi)的顆粒狀準晶相發(fā)生長大，逐漸變?yōu)槎噙呅螤?、棒狀或魚骨狀；準晶相多在富釔區(qū)形核長大。時效溫度為300 ℃時，合金中準晶相大部分以顆粒狀的方式均勻分布。

(2)Mg93Zn6Y1合金經(jīng)過時效處理后，準晶相在基體上的分布狀態(tài)發(fā)生改變。硬度及耐腐蝕性能明顯升高，其中300 ℃時效處理12h后，性能達到最佳。

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EffectsofagingtemperatureonmicrostructureandmechanicalpropertiesofMg93Zn6Y1withIphase

WANDiqing，LIZhumin,YEShuting

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Abstract:Themethodsofopticalmicroscope,scanningelectronmicroscope,X-rayandspectroscopyanalyzerwereappliedtostudythemicrostructureofas-cast,solidsolutiontreated,agingMg93Zn6Y1alloyTheresultsshowthatthemicrostructureofas-castMg93Zn6Y1consistsofα-Mgphaseandquasicrystalphase.Aftersolidsolutiontreatment,quasicrystalphasewasfusedandturnintoparticlefromcontinuousnetworkstructure.Afteraging,quasicrystalparticleprecipitatedinthegrainboundaryandquasicrystalparticleappearedintheα-Mggrain.Withagingtemperatureelevated,quasicrystalparticlegrownintheα-Mggrain,graduallybecomefishbone-likeormultilateralshape.Whentheagingtemperaturewas300 ℃,mostofquasicrystalphaseparticleuniformlydistributeinthematrix.Throughthemeasurementofhardnessandanti-corrosion,itwasfoundthatthehardnessandanti-corrosionperformancerisedthroughagingtreatment.Whentheagingtemperaturewas300 ℃,theeffectwasbest.

Keywords:Mg93Zn6Y1;quasicrystalphase;aging;hardness;corrosionresistance

文章編號：1001-9731(2016)06-06142-04

* 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51361010)

作者簡介：萬迪慶(1981-)，男，南昌人，博士，師承楊根倉教授，從事高強高阻尼鎂合金研究。

中圖分類號：TB31

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.025

收到初稿日期：2015-06-15 收到修改稿日期：2015-09-26 通訊作者：萬迪慶，E-mail:divadwan@tom.com