简介概要

Mg-6Al-1Zn-Y镁合金组织及力学性能的研究

来源期刊：稀有金属2006年第6期

论文作者：易丹青方西亚顾威王斌罗文海

关键词：Mg-6Al-1Zn-Y合金; 显微组织; 力学性能;

摘要：在Mg-6Al-1Zn合金的基础上添加不同质量分数的Y(分别为0%,0.5%,0.9%,1.4%),制备了4种实验合金,研究了Y的添加对合金组织性能的影响.通过X射线衍射、金相显微镜、扫描电镜、电子探针等手段分析了Mg-6Al-1Zn合金添加Y后组织结构的变化.研究结果表明,添加了不同含量Y的合金中都出现了一种新相Al2Y相.随着Y含量的增加,Al2Y相数量增多而Mg17Al12相则减少.Y能细化合金铸态及挤压态显微组织,其细化作用在添加了0.9%Y的镁合金中尤为明显.铸态合金室温拉伸试验表明:该合金具有最佳的综合力学性能.当Y含量添加至1.4%时,Al2Y相变得粗大且出现团聚现象而导致了拉伸性能的下降.经过挤压后,合金的力学性能大幅度上升.

稀有金属 2006,(06),724-728 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.06.002

Mg-6Al-1Zn-Y镁合金组织及力学性能的研究

易丹青王斌罗文海顾威

中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083,湖南长沙410083,湖南长沙410083,湖南长沙410083,湖南长沙410083

摘要：

在Mg-6Al-1Zn合金的基础上添加不同质量分数的Y (分别为0%, 0.5%, 0.9%, 1.4%) , 制备了4种实验合金, 研究了Y的添加对合金组织性能的影响。通过X射线衍射、金相显微镜、扫描电镜、电子探针等手段分析了Mg-6Al-1Zn合金添加Y后组织结构的变化。研究结果表明, 添加了不同含量Y的合金中都出现了一种新相Al2Y相。随着Y含量的增加, Al2Y相数量增多而Mg17Al12相则减少。Y能细化合金铸态及挤压态显微组织, 其细化作用在添加了0.9%Y的镁合金中尤为明显。铸态合金室温拉伸试验表明:该合金具有最佳的综合力学性能。当Y含量添加至1.4%时, Al2Y相变得粗大且出现团聚现象而导致了拉伸性能的下降。经过挤压后, 合金的力学性能大幅度上升。

关键词：

Mg-6Al-1Zn-Y合金;显微组织;力学性能;

中图分类号： TG113

作者简介：易丹青 (E-mail: yioffice@mail.csu.edu.cn) ;

收稿日期：2006-02-09

基金：湖南省科技攻关项目 (04GK1008-2);教育部有色金属重点实验室资助;

Microstructures and Mechanical Properties of Mg-6Al-1Zn-Y Alloys

Abstract：

Effects of Y on microstructures and mechanical properties of Mg-6Al-1Zn alloys containing varied contents of Y (0%, 0.5%, 0.9%, 1.4%Y respectively) were studied.X-ray diffraction, optical microscopy, scanning electron microscopy and energy dispersive spectrum were used to analyze microstructures of the alloys.The experimental results show that alloys with variable Y contents contain a RE bearing phase Al₂Y.The amount of Al₂Y increases with Y while that of Mg₁₇Al₁₂ decreases.Moreover, Y refines the microstructures of as-cast and extruded alloys.The finest average grain size is obtained in 3^# alloy with 0.9% Y with the best mechanical properties.When Y content is up to 1.4%, Al₂Y phase in 4^# alloy starts coarsening, leading to the drop of tensile strength.Properties of the studied alloys are improved significantly after extrusion.

Keyword：

Mg-6Al-1Zn-Y alloy;microstructure;mechanical properties;

Received： 2006-02-09

镁合金由于具有一系列优良的性能, 如密度小, 比强度和比刚度高, 优良的散热性能、电磁屏蔽性能、减振性能和机械加工性能等, 而引起了国内外学者的广泛关注。近年来, 镁合金在汽车、航空组件、电脑及手机外壳等方面的应用增长很快 ^[1,2,3] 。然而目前镁合金的强度、延展性较低仍然是制约镁合金发展及应用的主要瓶颈之一。研究发现, 稀土元素是镁合金的优良添加剂 ^[4,5,6] 。罗治平等 ^[7] 研究了混合稀土元素对Mg-Zn-Zr系镁合金组织及强度的影响。周海涛等 ^[8,9] 报道了稀土元素La, Ce对铸态AZ61合金组织性能的影响。王渠东等 ^[10] 报道了稀土元素对AZ91合金铸态组织及性能的影响。我们课题组曾报道在稀土元素中, Y是Mg-Zn-Zr系合金最佳的添加元素。然而, 很少有研究报道Y对Mg-Al-Zn合组织及性能的影响。本文在Mg-6Al-1Zn合金基础上, 通过添加不同含量的稀土Y, 制备4种不同成分的稀土镁合金, 探讨稀土元素Y在Mg-6Al-1Zn合金中的存在形式和作用机制, 及其对该合金显微组织与力学性能的影响。

1 实验

实验合金在电阻坩埚炉中制备而成, 采用溶剂保护法保护熔体, 浇注成Φ 48 mm的圆锭。实验合金的化学成分见表1。铸锭经400 ℃保温16 h的均匀化退火后挤压成Φ 8 mm的棒材 (挤压温度为380 ℃, 挤压比为36∶1) 。

铸态及挤压态棒材按国标做成拉伸试样, 在CSS-44100电子万能试验机上进行力学性能测试。采用日本理学D/max 2550 VB⁺ X射线衍射仪对合金进行物相分析。合金显微组织在POLYVAR MET金相显微镜上进行观察, 运用Sirion200场发射扫描电镜观察第二相颗粒形貌, 通过EDAX分析手段对第二相颗粒化学成分组成进行定性分析。

2 结果与讨论

2.1 Y对Mg-6Al-1Zn合金组织的影响

图1所示为试验合金铸态显微组织。由EDS显微分析结果可知, Mg-6Al-1Zn合金中的第二相

表1 Mg-Al-Y-Zn合金的化学成分 (%, 质量分数) Table 1 Chemical composition of Mg-Al-Y-Zn alloys

合金	Al	Y	Zn	Mn	Mg
1^#	6.02	-	1.01	0.25	余量
2^#	5.88	0.5	1.01	0.23	余量
3^#	6.00	0.9	0.97	0.26	余量
4^#	5.93	1.4	0.98	0.23	余量

主要是Mg₁₇Al₁₂相。由图1 (a) 可见, 该相粗大, 呈网状, 主要分布在晶界。同时, 观察到有一种黑色的点状物零星地分布在晶内。对该点状物作EDS分析得知它为Al-Mn化合物。将图1中的4个样品进行对比可知, Y的添加细化了α-Mg基体以及Mg₁₇Al₁₂相, 并出现了一种稀土相。其中, Y含量只有0.5%的2号合金细化效果并不明显。当Y含量达0.9%时, 组织得到明显细化, 晶粒尺寸也变得细小, 稀土相呈颗粒状。当Y加入量达1.4%时, 晶界变得粗大, 稀土相的尺寸增大, 呈团块状结构。对稀土相颗粒做EDS分析 (如图2所示) 表明, 稀土相中铝、钇的含量远高于基体中的含量, 且铝钇的原子比几乎都接近2∶1。试验合金的X射线衍射分析结果如图3所示。因此, 含Y的Mg-6Al-1Zn合金中出现的稀土相被确认为Al₂Y相。

不同Y含量的实验合金中都含有同一种稀土相Al₂Y (立方结构, a=0.786×10^-9 m) ^[11] 。显然, 这种稀土相很难成为Mg基体凝固时的异质核心。但是, 根据相图, Al₂Y相的结晶温度为980 ℃ ^[12] , 远高于L→α-Mg+Mg₁₇Al₁₂ (451 ℃) 的共晶反应温度。所以, 在凝固过程中, Al₂Y首先形成, 它容易富集在α-Mg相的前沿, 形成成分过冷层, 因而抑制了晶粒的长大。因此, 随着Y的加入, 合金的铸态显微组织被细化, Mg₁₇Al₁₂相的数量及尺寸也明显减小。

图4所示为含稀土合金SEM及Y元素面扫描结果。可见, 随着稀土含量的增加, 白亮的第二相粒子数量增多, Mg₁₇Al₁₂相显著细化, 变成断续、弥散分布的结构; 当稀土量达1.4%时, 稀土相呈团聚态。

图5是1^#, 3^#合金均匀化后的SEM图像。可见, 均匀化处理后, Mg₁₇Al₁₂相几乎全溶入基体, 故合金中第二相的数量急剧减少。我们观察到在1^#合金中只残留有极少量的小白亮点, 将其放大后的SEM图像如图6所示, 对它作微区分析获得的结果表明它是Al-Mn相, 也就是铸态金相中所见的黑色点状物。而在3^#合金中, 稀土化合物Al₂Y由于其熔点很高 (1485 ℃) ^[12] , 高温稳定性能好, 它几乎不溶于基体, 而是以同样的形态弥散分布在镁基体中。

图1 合金铸态光学显微照片 (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#Fig.1 Optical micrographs of as-cast alloys

图2 稀土相的SEM图像及线扫描结果Fig.2 SEM image and line scanning result of new phase

图3 铸态合金的XRD分析Fig.3 XRD patterns of as-cast alloys

1^#, 3^#合金挤压后的金相组织见图7。由于挤压温度远高于Mg-6Al-1Zn合金的再结晶温度, 而且挤压比较大, 合金都发生了再结晶, 形成等轴晶组织。对比图7 (a) 和 (b) 可见, 添加的Y细化了Mg-6Al-1Zn合金挤压态组织, 3^#合金再结晶晶粒细小、大小均匀。出现上述现象的原因可能是由于在Mg-6Al-1Zn合金中加入稀土元素Y形成的Al₂Y相具有高的熔点和热稳定性, 在挤压过程中这些粒子容易阻碍位错的滑移而形成位错缠结, 积蓄较大的储能, 这就有利于动态再结晶的形核。同时, 未固溶的第二相粒子Al₂Y起到了使各晶粒发生位错滑移变形均匀化的作用, 因此其再结晶晶粒比较均匀。

2.2 Y对合金力学性能的影响

实验合金的室温力学性能测试结果如表2所示。结果表明: 在铸态下, 添加0.5%或0.9%含量的Y都能够提高Mg-6Al-1Zn合金的强度而同时保持较高的延伸率, 当Y的添加量为0.9%时, 合金具有最优的综合力学性能; 然而, 当Y的添加量为1.4%时, 合金的室温力学性能反而下降。 1^#, 3^#合金经380 ℃下挤压后, 合金性能得到大幅度提高。

图4 合金铸态SEM及元素Y的面分布图 (a) , (d) 2#; (b) , (e) 3#; (c) , (f) 4#Fig.4 SEM images and yttrium map distributions of as-cast alloys

图5 合金均匀化处理后的SEM图像 (a) 1#; (b) 3#Fig.5 SEM images of homogenized alloys

图6 1#合金均匀化处理后的SEM图像及粒子的EDS分析结果Fig.6 SEM micrograph of homogenized 1# alloy and EDS pattern for particle

图7 合金挤压态的光学显微照片 (横截面) (a) 1#; (b) 3#Fig.7 Optical micrographs of as-extruded alloys (cross-section)

表2 实验合金室温拉伸力学性能Table 2 Tensile properties of alloys at room temperature

合金	铸态			挤压态
合金	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ/%	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ/%
1^#	168.82	112.56	3.71	312.26	219.90	14.10
2^#	177.59	123.01	4.43	-	-	-
3^#	187.33	129.30	4.19	348.91	250.22	15.84
4^#	164.26	112.12	3.66	-	-	-

在Mg-6Al-1Zn合金中加入Y, 可以观察到Y对合金的显微组织、固溶处理以及热加工行为都有着很大的影响。研究表明镁合金属于细晶强化效果显著的合金 ^[13,14] 。当Y加入后, 晶粒有明显细化; 另外, Y的固溶强化作用和Al₂Y颗粒相的弥散强化作用共同导致了合金力学性能的提高。然而, 当添加的Y含量高达1.4%时, 我们观察到Al₂Y相的粗化和团聚现象很明显。这种显微组织和结构的不均匀很容易引起应力集中。而且, 这些粗大的脆性粒子有利于显微裂纹的形成及扩展。因此, 4^#合金的室温力学性能反而下降了。热挤压过程中发生的再结晶生成细小均匀的等轴晶粒组织, 不均匀变形的程度减小, 从而明显提高了合金的拉伸力学性能。

3 结论

1. 不同Y含量的实验合金中都含有同一种稀土相Al₂Y。 Y能细化合金的铸态显微组织。

2. 在挤压过程中, 未固溶的第二相粒子Al₂Y起到了使各晶粒发生位错滑移变形均匀化的作用, 生成细小均匀的等轴晶粒组织。

3. 室温力学性能测试的结果显示: 当Y的添加量为0.9%时, Mg-6Al-1Zn合金获得最优的综合性能; 当Y含量高达1.4%时, Al₂Y相的粗化和团簇导致了合金力学性能的下降。