Ce添加對Mg–Ca擠壓合金力學性能與熱穩定性影響研究

2023-02-24 09:22:16李景仁謝東升張棟棟謝紅波潘虎成任玉平秦高梧

精密成形工程 2023年2期

關鍵詞：力學性能

李景仁，謝東升，張棟棟，謝紅波，潘虎成，任玉平，秦高梧

輕合金成形

Ce添加對Mg–Ca擠壓合金力學性能與熱穩定性影響研究

李景仁，謝東升，張棟棟，謝紅波，潘虎成，任玉平，秦高梧

（東北大學材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819）

研究在Mg–0.2Ca擠壓合金基礎上分別添加質量分數為0.3%的Ce和0.6%的Ca后對合金的組織、力學性能和熱穩定性的影響，探究Ce和Ca 2種合金元素對鎂合金的強化和中高溫條件下的穩定化效果。首先，熔煉制備Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce和Mg–0.8Ca 3種成分的合金；隨后，對3種合金進行擠壓變形，并對擠壓合金組織和力學性能進行表征和測試；最后，在300 ℃下對3種合金進行等溫退火，研究其組織演變過程和力學性能的衰減情況。在Mg–0.2Ca合金基礎上添加質量分數為0.3%的Ce可將擠壓態合金再結晶分數由約92%降至約53%，再結晶晶粒尺寸由約1.64 μm細化至約0.86 μm，Mg–0.2Ca–0.3Ce三元合金的屈服強度可大幅提升至約364 MPa，該屈服強度與Mg–0.8Ca合金相當（約361 MPa），表明單位質量Ce的添加對強度提升的效果優于Ca。退火3 h后，Mg–0.2Ca–0.3Ce三元合金屈服強度的下降幅度約為124 MPa，顯著低于Mg–Ca二元合金（約170 MPa）。以Mg–0.2Ca–0.3Ce合金為例進行靜態再結晶組織演化分析表明，靜態再結晶過程產生了稀土織構，其再結晶機制為不連續靜態再結晶。在Mg–0.2Ca擠壓合金中添加質量分數為0.3%的Ce后，屈服強度由約307 MPa提升至約364 MPa，其強度與繼續添加質量分數0.6%的Ca合金相當，Mg–Ca–Ce三元合金熱穩定性優于Mg–Ca二元合金。

變形鎂合金；微合金化；力學性能；位錯；熱穩定性

鎂合金由于具有低密度的特點，在亟待“輕量化”的諸多領域中，如航空航天、軌道交通、3C產品等具有巨大的應用前景[1-3]。然而，傳統鎂合金材料一直面臨著絕對強度偏低和室溫成形性差等瓶頸問題[4]。在可持續發展的背景下，“低合金化”逐漸成為鎂合金的一個新發展方向，以期使用盡可能低的溶質含量獲得高的綜合力學性能[5]。然而，合金元素的減少通常會削弱固溶強化和第二相強化的效果。因此，對于具有高的Hall–Petch斜率的鎂合金而言，選取一種有效的晶粒細化手段便成為開發新型高性能鎂合金的有效途徑[6]。例如，通過劇烈塑形變形（Severe Plastic Deformation，SPD）的手段，包括等通道轉角擠壓（Equar Channel Angular Pressing，ECAP）[7]、累積疊軋（Accumulative Roll Bonding，ARB）[8]、高壓扭轉（High-Pressure Torsion，HPT）[9-10]、旋鍛（Rotary Swaging，RS）[11]，鎂合金的晶粒一般可以細化至納米尺度。然而，SPD方法制備的樣品尺寸受限且加工成本較高，無法滿足鎂合金材料大規模的工業化應用。

合金化是實現鎂合金晶粒細化的另一個有效手段[5]。在軋制、擠壓等工業化流程的變形工藝條件下，有效的合金化元素可以通過促進動態再結晶（Dynamic recrystallization，DRX）形核和抑制再結晶晶粒長大而獲得細小的晶粒尺寸。近期研究表明，非稀土Ca元素的添加可以在變形鎂合金中起到強烈的細化晶粒的效果[12]，并據此開發出了Mg–Ca– Al–(Zn)[13]、Mg–Ca–Zn–(Mn)[14]、Mg–Ca–Sn–(Mn)[15]等合金體系，屈服強度普遍可以達到350 MPa以上。

然而，目前開發的Mg–Ca系合金中所含Ca元素含量依然較高（質量分數普遍大于0.7%），在合金熔煉與擠壓件質量控制等方面均面臨諸多挑戰，因此，文中以添加超低含量的Ca（質量分數約為0.2%）為基礎，結合微量Ce元素（質量分數約為0.3%），以期實現超高強度、超低合金化的變形鎂合金。事實上，輕稀土元素Ce是鎂合金中的重要合金元素之一，可起到顯著弱化織構和提升塑性的效果，并據此開發出了Mg–Ce–Mn（ME20）等商用鎂合金牌號[16]。然而，關于Ce和Ca兩種元素對鎂合金微觀組織與力學性能的協同調控作用的研究目前還鮮有報道。與此同時，針對中高溫環境下的服役要求，鎂合金的熱穩定性同樣亟待解決。由此，文中擬研究Ce和Ca元素對鎂合金力學性能和熱穩定性能的影響規律并闡明其微觀機理。

1 試驗

在真空感應熔煉爐中制備名義成分Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce、Mg–0.8Ca的合金（分別標注為X0、XC和X1）。采用電感耦合等離子光譜發生儀（ICP）進行成分檢測，實際成分如表1所示。將鑄錠在530 ℃下保溫12 h進行固溶處理，隨后將45 mm×80 mm圓柱擠壓成10 mm圓棒，擠壓比20∶1，擠壓速度0.4 mm/s，樣品、模具和擠壓筒的溫度均設置為280 ℃。隨后，對擠壓態合金進行300 ℃下保溫0.5～ 3 h的退火處理。將合金試樣加工成直徑5 mm、標距25 mm的拉伸試樣。并在電子萬能材料試驗機（Schimazu AG–X Plus）上測試其室溫力學性能，拉伸方向平行于擠壓方向，應變速率為0.001 s–1，每種合金測試3個平行樣。采用光學顯微鏡（OM，GX71）、場發射掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS–Crossbeam 550）及配備的背散射電子衍射探頭（EBSD），場發射透射電子顯微鏡（TEM，JEOL JEM–2100F）對制備樣品的微觀結構進行系統表征。EBSD樣品經由亞離子拋光（PIPS–II，GATAN 695）技術制備得到，TEM樣品經由手動研磨及后續的離子減薄（PIPS–II，GATAN 691）制備。

表1 試驗合金的化學成分

Tab.1 Chemical composition of the test alloys wt.%

2 結果與分析

2.1 力學性能

圖1顯示了X0、XC和X1合金的工程應力–應變曲線，擠壓態X0合金的屈服強度（YS）、抗拉強度（UTS）和伸長率（EL）分別為307 MPa、317 MPa和6.8%，如圖1a所示。添加質量分數為0.3%的Ce后，擠壓態XC合金的YS、UTS分別提高至364、374 MPa，提高值約為60 MPa，如圖1b所示。進一步提升Ca的質量分數至0.8%后，X1合金的的YS、UTS同樣可分別提升至361、374 MPa，如圖1c所示。為進一步研究3種合金的熱穩定性，圖1a—c還顯示了退火態X0、XC和X1合金的工程應力–應變曲線。3種合金的YS值和EL值隨退火時間發生變化，如圖1d所示。隨著退火時間的延長，3種合金的塑性顯著提升，強度均有下降，但XC合金的YS值下降幅度最小。譬如，退火處理3 h后，XC合金的YS降低值=124.3 MPa，顯著低于X0合金（= 165.2 MPa）與X1合金（=172 MPa），表明Mg–Ca–Ce三元合金具有更優的熱穩定性。

2.2 擠壓態合金微觀組織

圖2顯示了擠壓態X0、XC和X1合金的金相組織，3種擠壓態合金均表現為雙組態晶粒結構，即由細小的再結晶晶粒和沿擠壓方向（ED）拉長的未再結晶晶粒組成。X0、XC和X1合金的再結晶比例分別約為92%、53%和77%，且Mg–Ce合金未再結晶區存在較寬的分布，表明Ce元素的添加可強烈抑制再結晶進程，該結果與Li等[17]報道的擠壓Mg–Ce二元合金具有低的再結晶比例結果相一致，其微觀機制與Ce元素可誘導鎂基體中的高比例非基面滑移有關。

圖1 X0、XC和X1擠壓態和退火態合金的力學性能

圖3為擠壓態合金的EBSD結果。根據圖3a、d、g的帶對比度（BC）圖可知，擠壓態X0、XC和X1合金的再結晶晶粒平均尺寸分別約為1.64、0.86、0.87 μm，即在Mg–0.2Ca基礎上繼續添加0.3Ce和0.6Ca可產生類似的晶粒細化效果。圖3b、e、h分別為沿ED的IPF模式取向成像圖（IPF map），可以看出，未再結晶晶粒均表現為<10–10>||ED取向，而再結晶晶粒取向更為隨機。從X0合金的反極圖（圖3c）可以看出，該合金具有典型的擠壓絲織構，織構強度為5.62 mrd，同時含有弱的稀土織構組分（<44– 83>||ED）。Guan等[18]和Zeng等[19]研究發現，Ca元素具有類似稀土元素的作用，能夠促進稀土織構的形成。XC和X1合金的整體織構強度接近（7.5～7.7 mrd），而XC合金再結晶晶粒的織構強度（約3.33 mrd）明顯弱于X0和X1合金（5.6～6.0 mrd）。以上結果表明，相較于Ca，Ce具有更強的抑制再結晶和弱化織構效果，但對織構的種類不產生顯著影響。