擠壓變形Mg-Y-Zn合金組織演變

任院生，郭新汝

（1.山東南山鋁業股份有限公司三碳素廠，山東 煙臺 265700；2.航鑫材料科技有限公司，山東 煙臺 265700）

近些年來，鎂（Mg）合金由于其低密度，高比強度，和優良的鑄造性能和機械加工性能而備受關注，在汽車、航天航空和國防領域有非常廣闊的應用前景[1]。其中，LPSO結構Mg-Zn-Y合金由于其優異的強度-塑性配合而備受關注。已經有研究表面[2，3]，Mg-Zn-Y合金優異的力學性能與其特有的強化相有關，分別是：I相（Mg3Zn6Y，二十面準晶結構）、X相（Mg12Y1Zn1，18R型長周期結構）和W相（Mg3Zn3Y2，立方結構）。

傳統的高溫擠壓變形工藝可以有效破碎脆性第二相，并且有效調控第二相形貌、尺寸和分布[4，5]。此外，擠壓變形還可以有效細化晶粒，消除縮孔、縮松等鑄造缺陷進一步提高合金的強度和塑性。對于Mg-Zn-Y合金而言，W相在固溶處理后可部分融入鎂基體中[3]，而LPSO結構又具有獨特的強化機制和塑性變形機制[2]，過飽和鎂基體在擠壓過程中的動態再結晶和動態析出行為。因此，有必要對擠壓變形Mg-Zn-Y合金的組織演變與強化機制進一步深入研究。基于此，本文設計了Mg95Y2.5Zn2.5（at.%）合金，在400℃固溶處理12h后在350℃進行熱擠壓，并探究其組織演變機制。

1 實驗過程

研究材料使用純鎂（99.99wt.%）、純鋅（99.99wt.%）和Mg-（25wt.%）Y中間合金在電阻爐熔煉，在750保溫30min，經過攪拌、精煉和靜置，澆入提前預熱好的鋼模中自然冷卻。

從原鑄錠中加工出直徑60mm，高100mm的圓柱經400℃固溶處理12h后熱擠壓。擠壓溫度為350℃，速度2mm/s，擠壓比為18：1。

采用光學顯微鏡，配有EDS和電子背散射衍射（EBSD）探頭的掃描電鏡，和透射電子顯微鏡對合金顯微組織的形貌進行表征，用X射線衍射儀對試樣進行物相分析。

2 結果與討論

2.1 鑄態組織

圖1是鑄態Mg95Y2.5Zn2.5合金的金相照片。可以看到組織呈明顯樹枝晶結構，主要由白色鎂基體和黑色第二相組成。第二相存在于樹枝晶間隙沿晶界呈網絡狀分布。

圖2為鑄態Mg95Y2.5Zn2.5合金的SEM組織照片。其組織主要由三種物質組成，①位于A點的黑色鎂基體，其成分經由EDS能譜分析確定為98.5Mg-0.8Y-0.7Zn（at.%）；②位于B點的白色層片狀共晶相，其成分被確定為42.4Mg-18.6Y-39.0Zn（at.%），原子比接近3：2：3，因此被確認為W相；③位于C點的灰色組織，其成分被確定為85.7Mg-6.8Y-7.5Zn（at.%），原子比接近12：1：1，被確認為LPSO相。

進一步結合XRD結果（圖3），Mg95Y2.5Zn2.5合金的主要物相被確定為a-Mg，Mg3Zn3Y2（W相）和Mg12ZnY（LPSO相），這與SEM和EDS分析所得結論一致。

圖1 Mg95Y2.5Zn2.5合金鑄態金相組織

圖2 鑄態Mg95Y2.5Zn2.5合金SEM組織

圖4 擠壓態Mg95Y2.5Zn2.5合金金相組織

圖5 擠壓態Mg95Y2.5Zn2.5合金SEM組織

圖3 鑄態Mg95Y2.5Zn2.5合金XRD圖譜

2.2 擠壓態組織

圖4 為擠壓態Mg95Y2.5Zn2.5合金的金相組織圖。可以看到合金經過熱擠壓之后，原本鑄態組織中的共晶網狀結構不復存在。第二相沿擠出方向（Extruding direction）呈帶狀分布。由于發生了完全動態再結晶，其晶粒轉變為等軸晶且細化明顯，平均晶粒尺寸為10um。在TD-ND方向(Transverse direction-Normal direction)可以看出第二相分布彌散而均勻。

圖5為擠壓態Mg95Y2.5Zn2.5合金的SEM組織照片。其中5（a）中可見細小DRXed等軸晶晶粒。此外，圖（b）中顯示粗大的W相被破碎為細小顆粒，沿擠壓方向呈帶狀分布。LPSO相沿擠壓方向拉長與W相交替相間分布，從TD-ND切面可以看出LPSO還發生了不同程度的扭折變形。

3 結論

鑄態Mg95Y2.5Zn2.5合金由鎂基體、網狀共晶W相和塊狀LPSO相組成。合金經熱擠壓之后發生完全動態再結晶，組織由再結晶等軸晶粒，顆粒狀W相和扭折LPSO相組成。此外，合金在擠壓過程中發生動態析出，形成納米析出相。