简介概要

超声处理对含稀土的AZ91镁合金性能及组织的影响

来源期刊：稀有金属2016年第11期

论文作者：李尧杨俊杰刘智超

文章页码：1107 - 1111

关键词：AZ91镁合金;稀土元素;超声波处理;力学性能;

摘要：在AZ91镁合金熔炼过程中加入混合稀土Y,Gd并辅以超声熔体处理工艺制备合金,利用万能试验机、光学显微镜（OM）和透射电镜（TEM）,探讨了添加混合稀土和超声波处理对AZ91镁合金微观组织和力学性能的影响,分析了其作用机制。实验结果表明,添加混合稀土Y,Gd后,未经超声处理的合金,稀土化合物存在于合金晶内和晶界上,α-Mg基体组织得到细化,晶界上的β相减少,合金的抗拉强度σb和延伸率δ可分别达到261 MPa和4.5%。同时,施加超声处理能进一步细化合金组织,α-Mg基体晶粒更加等轴细小,抑制β相在晶界处的连续网状分布。稀土相趋于弥散均匀分布,促进了稀土元素的细晶强化作用,这样使合金抗拉强度提高到270 MPa,延伸率达到7.2%。当混合稀土添加总量超过一定范围后,会形成粗大化合物并割裂基体,这时超声处理对合金组织的改善作用有限,合金力学性能呈现下降趋势。

网络首发时间: 2016-09-28 09:52

稀有金属 2016,40(11),1107-1111 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16080004

超声处理对含稀土的AZ91镁合金性能及组织的影响

李尧杨俊杰刘智超

江汉大学机电与建筑工程学院

摘要：

在AZ91镁合金熔炼过程中加入混合稀土Y,Gd并辅以超声熔体处理工艺制备合金,利用万能试验机、光学显微镜(OM)和透射电镜(TEM),探讨了添加混合稀土和超声波处理对AZ91镁合金微观组织和力学性能的影响,分析了其作用机制。实验结果表明,添加混合稀土Y,Gd后,未经超声处理的合金,稀土化合物存在于合金晶内和晶界上,α-Mg基体组织得到细化,晶界上的β相减少,合金的抗拉强度σb和延伸率δ可分别达到261 MPa和4.5%。同时,施加超声处理能进一步细化合金组织,α-Mg基体晶粒更加等轴细小,抑制β相在晶界处的连续网状分布。稀土相趋于弥散均匀分布,促进了稀土元素的细晶强化作用,这样使合金抗拉强度提高到270 MPa,延伸率达到7.2%。当混合稀土添加总量超过一定范围后,会形成粗大化合物并割裂基体,这时超声处理对合金组织的改善作用有限,合金力学性能呈现下降趋势。

关键词：

AZ91镁合金;稀土元素;超声波处理;力学性能;

中图分类号： TG146.22;TG292

作者简介：李尧(1957-),男,湖北人,博士,教授,研究方向:金属合金化、金属塑性成形;电话:13971500519;E-mail:lylly111@sina.com;

收稿日期：2016-08-05

基金：湖北省自然科学基金重点项目(2008CDA028);武汉市科技计划项目(201250499145-16)资助;

Properties and Microstructure of Rare Earth AZ91 Magnesium Alloy with Ultrasonic Treatment

Li Yao Yang Junjie Liu Zhichao

School of Electrical-Mechanical Engineering,Jianghan University

Abstract：

Mixed rare earth( RE) Y and Gd were added into AZ91 magnesium alloy during the melting process aided with ultrasonic treatment to produce RE-AZ91 alloy. By means of tensile testing machine,optical microscopy( OM) and transmission electronic microscopy( TEM),the effects of RE and ultrasonic treatment on properties and microstructure were discussed. The experimental results showed that,in the RE-AZ91,abundant RE compound could be observed inside the crystalline and along the crystalline boundary,α-Mg matrix was refined,β-phase decreased,and the tensile strength σband the elongation δ could reach 261 MPa and 4. 5%,respectively. After experiencing ultrasonic treatment,microstructure of RE-AZ91 could be refined further and α-Mg matrix crystalline size grew smaller,the net morphology of β-phase distributed on the crystalline boundary was limited. In addition,RE phases tended to distribute homogeneously so as to improve the fine-crystal strengthening effect. As a result,the tensile strength σband the elongation δ increased to 270 MPa and 7. 2%,respectively. However,if the amount of mixed RE exceeded a certain level,the coarsened RE compound could be formed and weakened the strength of the matrix,resulting a limited effect of ultrasonic treatment and a decreasing mechanical properties.

Keyword：

AZ91 magnesium alloy; rare earths; ultrasonic treatment; mechanical property;

Received： 2016-08-05

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,具有比强度高、比刚度高、高减震性、易切削等一系列优点,它在汽车、电子、航空、航天等领域具有广泛应用前景 ^[1,2] 。但是镁合金的强度比较低,耐腐蚀性能和耐高温性能差,室温韧性低等缺点,这些缺点阻碍了镁合金进一步的应用。尽管很多学者通过添加合金元素来改善合金的性能,但其效果并不理想。有研究表明,添加稀土元素(RE)具有较好的固溶强化和时效强化效果,可以有效改善镁合金的力学性能 ^{[3,4,5,6,7,8,9]} 。本研究小组的前期实验研究也证明了适量添加Y,Nd,Gd 3种混合稀土能细化镁合金组织,提高合金的抗拉强度和延伸率 ^[10,11] 。

但由于稀土元素及其化合物在熔铸过程中扩散速度缓慢,使得稀土添加量在达到饱和固溶度之前,便有部分粗大稀土颗粒或金属间化合物处于晶内与晶界。即使通过热处理也难以改善合金中的粗大化合物组织。只有少部分发生固溶,大部分仍残存在晶界,呈针状或断网状分布,使得合金组织不均匀,对合金力学性能影响较大,因此改善稀土化合物在AZ91镁合金中的溶解及分布情况对于合金的强化至关重要。

超声波处理能对金属凝固过程产生一定程度的影响,是一种环保的合金制备方法。在钢、铝合金凝固过程中对熔体进行超声处理,可以细化合金铸锭组织,得到均匀细小的等轴晶组织,还有过滤杂质和除气的作用,有利于提高合金的力学性能 ^[12] 。目前一些有关报道说明,超声用于镁合金熔体处理可以促进镁合金晶粒的细化和第二相的弥散均匀分布 ^[13,14] 。

在铸造镁合金中,应用最多的是AZ91镁合金,本文探讨了对含混合稀土的AZ91镁合金在熔炼过程中施加超声处理工艺对合金组织和力学性能的影响,以期通过超声处理充分发挥稀土元素的细晶强化作用,获得力学性能较好的稀土镁合金组织。

1 实验

在企业现场以实际生产条件,采用工业牌号AZ91镁合金,成分(质量分数)为:Al 9.12%,Zn0.89%,Mn 0.34%,Si≤0.02%,Fe≤0.12%,其他杂质元素少于0.04%,余量为Mg。熔炼在8GWU型电阻炉中进行,用混合制冷剂YH134a和氮气保护气体,待合金达到680~700℃,对镁合金熔体进行搅拌,保温10 min,在J1125B型压铸机中压铸制作测试用的不含RE的AZ91镁合金实验试样。剩余合金则添加不同配比的Mg-Y,MgNd,Mg-Gd稀土中间合金,并进行搅拌,保温10min,制作测试用的不同RE含量的AZ91镁合金实验试样。同时导入超声振动,超声波功率为900W,导入时间为120 s,超声处理完即刻采用上述同样方法压铸实验试样。压铸试样尺寸和压铸型工艺按照国家标准GB/T 13822-92《压铸有色合金试样》规定要求设计。

利用DMI-5000M光学显微镜(OM)和JEM-2100F场发射透射电子显微镜(TEM)进行合金显微组织观察,使用WDW-100电子万能试验机进行测试合金的抗拉强度σ_b和延伸率δ。

2 结果与讨论

2.1 微观组织

首先观察合金组织的变化及差异性,图1为不同稀土含量的合金在超声处理前后的金相组织。未添加稀土AZ91镁合金的显微组织由基体α-Mg相和以离异共晶方式析出的β(Mg₁₇Al₁₂)相为主的相组成,少量黑色块状的Al-Mn相。β相主要沿晶界以粗大的连续网状或断续网状形式沿晶界分布,少量在晶内以颗粒状存在。α-Mg基体晶粒尺寸大小不一,分布不均,β相主要分布在晶界处,形成连续粗大的网状结构(图1(a));加入稀土后,少量的β相呈颗粒状分布于晶界处,表明稀土可降低β相的形成及呈网状分布于晶界(图1(b)),晶内也存在稀土化合物。合金熔体经超声波处理后这些缺陷得到了改善,各组成相趋于均匀分布,晶粒的整体尺寸比未经超声处理的要细小(图1(c))。但是,当加入的混合稀土含量为2.5%时,晶界和晶内均出现粗大的稀土化合物(图1(d))。

根据RE,Al,Mg的电负性大小,RE与Al的电负性差值大于与Mg的电负性差值,这样含稀土的合金在凝固过程中稀土优先同Al生成稳定性较高的Al-RE相。稀土化合物具有较高的熔点,合金冷却结晶时会较早凝固或析出使得结晶的形核点增加,同时,又有较稳定不易扩散的特性,使稀土化合物钉轧在晶粒之间限制了晶粒的生长。随混合稀土总量的增加,呈连续网状存在的Mg₁₇Al₁₂相基本消失,Mg₁₇Al₁₂相尖端得到钝化,Mg₁₇Al₁₂相多呈粒状。合金晶粒尺寸逐渐减小(图1(b))。当混合稀土总量超过2.5%以上时,AZ91合金中β相析出量逐渐减少,稀土相增多并大量聚集,合金组织有明显的粗化和偏聚趋势(图1(d))。对比图1(b,c)可以看出,经过超声处理的稀土镁合金基体组织细化更为明显,合金组织分布较均匀。

图1 镁合金的金相组织Fig.1 OM images of microstructure of Mg alloys

(a)Without RE,without ultrasonic treatment;(b)0.8%RE,without ultrasonic treatment;(c)0.8%RE,ultrasonic treatment;(d)2.5%RE,without ultrasonic treatment

合金熔化时尽管进行了人工搅拌,但这种搅拌也可能并未使熔体得到充分均匀的搅拌,有些高熔点的大块稀土化合物并不能得到破碎,采用超声波的处理方式会导入空化、激荡和冲击破碎,可有效使合金整个熔体都得到均匀“搅拌”,这样不利于粗大化合物的形成。

由前面结果可知,加入稀土前合金中α-Mg基体粗细不一,β相以连续网状分布或团状聚集。通过TEM可以看出,加入混合稀土后合金各相的形态和分布都产生了变化,整体晶粒组织变得细小,β相析出量减少,网状结构变得不连续,开始以颗粒状分散在晶界处,如图2(a,b);当稀土含量较少时,合金中生成的Al-RE大多呈颗粒状弥散分布在晶内和晶界上,如图2(c,d),可有效阻碍晶粒的生长和晶内位错的运动。经过熔体超声处理后,试样中稀土化合物转变为细小点状并充分扩散,如图2(e),弥散强化作用更为明显。

当混合稀土添加过多时,β相逐渐消失,在透射电镜中难以观察到。稀土相开始粗化,经超声处理后稀土化合物外形变得规整,弥散程度也提高了,但依然较为粗大,如图2(f)。通过能谱分析,这些化合物主要是Al₃RE。

综上分析,添加一定量混合稀土可有效改善合金组织,对加入混合稀土的合金熔体施加超声处理,可以使合金组织变得更加均匀细小。但是,当稀土添加过量时,超声处理对合金组织的影响作用不明显。

图2 镁合金的微观组织Fig.2 TEM images of microstructure of Mg alloys

(a)Net morphology into dot form(0.8%RE);(b)Crystalline of alloy(0.8%RE);(c)RE compound on crystalline boundary(0.8%RE);(d)RE compound inside crystalline and along crystalline boundary(1.6%RE);(e)Compound in alloy after ultrasonic treatment(1.6%RE);(f)Coarsened RE compound in alloy after ultrasonic treatment(1.6%RE)

2.2 合金性能

从图3和4中可以看出,加入混合稀土后,合金的抗拉强度和延伸率都有不同程度的提高。当RE含量为2.0%~3.0%时,抗拉强度可达到261MPa,延伸率达到4.5%,但当RE含量超过2.5%时,抗拉强度和延伸率都会下降。镁合金经过超声处理,合金力学性能均有所提高。加入混合稀土的合金在经过超声处理后,其力学性能得到进一步改善,并较早出现峰值,RE含量为1.4%~2.2%时抗拉强度达到270 MPa,延伸率提高到7.2%。当稀土添加过量超过约1.8%时,合金力学性能同样会下降,但下降趋势相较未经超声处理的试样要缓慢。图5中分别为有、无超声处理两种条件下具有较高强度的试样拉伸曲线,从图5可以发现,两条曲线的形状类似,有趣的是,两种试样的拉伸曲线前段几乎一致,但超声处理后的试样,在强度提高的同时,延伸率提高明显。

图3 RE对镁合金抗拉强度(σb)的影响Fig.3 Effect of RE on tensile strength of Mg alloy

图4 RE对镁合金延伸率(δ)的影响Fig.4 Effect of RE on elongation of Mg alloy

图5 拉伸曲线Fig.5 Tensile curves of RE Mg alloys

在AZ91合金结晶凝固过程中,稀土元素具有细化晶粒的作用,按照Hall-Petch ^[15] σ_s=σ₀+kd^-1/2(σ_s屈服强度,σ₀材料常数,相当于单晶时的屈服强度,k表征晶界对强度影响程度的常数,d晶粒尺寸),表明合金的晶粒越小,合金的强度越高。

金属由液态凝固为晶体时,需要有过冷度 ^[16] 。而稀土的加入可降低结晶时的过冷度,又可使熔体中的形核数量增加和加速结晶速率。加入混合稀土后合金中的基体组织变得均匀细小,稀土化合物的高熔点、高硬度的第二相粒子分布于晶界和晶内,同时又弥散分布,增大了晶界附近位错的滑移阻力;稀土颗粒及产生的稀土化合物也弥散分布于合金组织中,有效阻碍了位错在晶内的滑移,合金抗拉强度呈现上升的趋势。合金晶粒细化后,受力形变可以分散在更多的晶粒中,不容易造成应力集中和裂纹,使得金属塑性提高。

实验数据表明超声波对合金熔态处理能进一步提高AZ91合金力学性能,通过分析超声波振动原理可知,超声波导入金属熔体时会出现空化、声流等效果,会引发搅拌、分散、冲击破坏等力学效应和热学效应,使稀土元素在合金熔体中快速扩散,早期形成的粗大稀土化合物会破碎,合金结晶的形核率激增,促进了稀土细化晶粒的效果,也使得各化合物分布弥散化,合金组织变得更加均匀细小,力学性能得到进一步提高。

当RE含量过高时,会出现粗大的稀土化合物Al₃RE割裂合金基体,降低了晶体变形的协调性,同时还易造成应力集中,导致力学性能下降。超声处理虽能一定程度上改善合金组织,但对稳定性较高的稀土化合物影响不大,只能稍微减缓力学性能下降的趋势。