Mg-xZn-Y合金顯微組織、力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能研究

胡延昆，李秋書，郭會玲，李建文，吳瑞瑞

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

Mg-xZn-Y合金顯微組織、力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能研究

胡延昆，李秋書，郭會玲，李建文，吳瑞瑞

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

研究了Zn含量以及定向凝固拉伸速度對Mg-Zn-Y合金顯微組織、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明，Mg-xZn-Y(x=1,3,5%)合金組織主要由α-Mg相與Mg3Zn6Y相組成。隨著隨著Zn含量的增多，晶粒細(xì)化；定向凝固使組織由等軸晶或樹枝晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變，隨著拉伸速度的增大，柱狀晶寬度變窄。鑄態(tài)合金的室溫力學(xué)性能隨著Zn含量的增加而增大，定向凝固合金的室溫力學(xué)性能隨著拉伸速度的增大而增大，當(dāng)拉伸速度為100 um/s時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了260.2 MPa，相比于鑄態(tài)合金，提高了44.1%；伸長率達(dá)到了14.46%，相比于鑄態(tài)合金，提高了61.7%.鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率隨著Zn含量的增加而減小，定向凝固合金的熱導(dǎo)率隨著拉伸速度的增大而減小，但是，相比于鑄態(tài)合金，定向凝固合金的熱導(dǎo)率均有所提高。

Mg-xZn-Y合金；顯微組織；力學(xué)性能；導(dǎo)熱性能

鎂合金作為最輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)在諸多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在汽車、航空航天以及電子產(chǎn)品領(lǐng)域。但是由于鎂合金絕對強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能的不足，仍然限制了其在某些行業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用，研究具有優(yōu)良的力學(xué)性能以及高導(dǎo)熱性能鎂合金前景明朗[1-3]。Zn元素對于Mg而言是一種很好的合金化元素，一方面，它既能夠細(xì)化合金的晶粒、改善合金的室溫力學(xué)性能，又能與Y元素相結(jié)合形成金屬間化合物，通過彌散強(qiáng)化，可以顯著提高鎂合金高溫力學(xué)性能[4]；另一方面Zn與Mg原子半徑相近，化合價相同，引起的晶格畸變較小，因此可以減小合金化對熱導(dǎo)率的負(fù)面影響。稀土元素Y和Mg均為密排六方晶格，二者的晶格常數(shù)相近，原子半徑也相差不大，熔體中Y可以成為異質(zhì)結(jié)晶核心，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，Y引起的晶格畸變較小，也不會對導(dǎo)熱性能帶來過多的影響[5]。

定向凝固技術(shù)是一種創(chuàng)新的凝固工藝，通過建立特定的溫度梯度，控制單向熱流，獲得單晶或者柱狀晶組織，從而制備出單向性能優(yōu)異的材料[6]。因此，本文采用定向凝固工藝研究Mg-xZn-Y(x=1,3,5wt%)合金的力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能，為制備高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱鎂合金提供理論依據(jù)以及有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用純度為99.9%的鎂錠、99.9%的鋅粒和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Mg-30%Y中間合金在中頻感應(yīng)加熱爐的石墨坩堝熔配Mg-xZn-1Y(x=1,3,5Wt%)系合金。實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分見表.熔煉前，對原料表面進(jìn)行清理除雜并在電阻爐中預(yù)熱至200 ℃.熔煉過程中不斷通入純度為99.999%的氬氣進(jìn)行保護(hù)，防止鎂合金氧化。待中頻感應(yīng)加熱爐的石墨坩堝加熱至紅熱狀態(tài)，放入預(yù)熱的鎂錠，720 ℃左右鎂錠完全熔化后加入鋅粒、Mg-30%Y中間合金，攪拌3～5 min使其均勻與鎂熔體混合，持續(xù)加熱至760 ℃，保溫10～15min，然后停止加熱。待溫度降至700 ℃，加入RJ-2精煉劑，攪拌并扒渣，觀察熔體表面干凈、光亮，靜止670 ℃，澆注于提前預(yù)熱的金屬模具中。澆注試樣呈棒狀，放入定向凝固設(shè)備，進(jìn)行定向凝固實(shí)驗(yàn)，定向凝固技術(shù)采用區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法，加熱系統(tǒng)簡圖見圖1.

表1 理論實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分(%)

Tab.1 The chemical composition of the experimental alloys (%)

合金MgZnYMg?1Zn?Y余量1．01．0Mg?3Zn?Y余量3．01．0Mg?5Zn?Y余量5．01．0

試驗(yàn)完成后，對鑄態(tài)合金橫截面以及定向凝固試樣縱截面進(jìn)行打磨、拋光，然后用體積分?jǐn)?shù)為4%.的硝酸酒精溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行組織觀察，并采用Cu靶的X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，入射線波長為0.154 06 nm，掃描步長0.02°，掃描速度為0.3 s/步，掃描3 000步，掃描范圍20～90°，發(fā)散狹縫3.03 mm；取長度為10 cm的試驗(yàn)棒，車床加工為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，拉伸速率1.0 mm/min；取長度為10 cm的試驗(yàn)棒，表面加工，保證光亮平滑，使用TH2512型智能直流低電阻測試儀測試電阻，通過電導(dǎo)率與電阻率的關(guān)系，計(jì)算得出試樣的熱導(dǎo)率。計(jì)算運(yùn)用魏德曼-弗蘭茲定律數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(1)

(其中，λ是金屬的熱導(dǎo)率，σ是金屬的電導(dǎo)率，T是絕對溫度，室溫時T=293 K，L0是洛倫茲數(shù)，L0=2.45×10-8W·Ω/K2).

圖1 定向凝固加熱系統(tǒng)簡圖Fig.1 The schematic diagram of directional solidification syetem

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織及相結(jié)果討論

不同Zn含量的鑄態(tài)Mg-Zn-Y合金的金相顯微組織如圖2所示。

(a) 1% (b)3%(c) 5%圖2 不同Zn含量的鑄態(tài)Mg-Zn-Y合金的顯微組織Fig.2 The microstructure of as-cast Mg-Zn-Y alloys with different Zn contents

可以看出，合金組織主要由呈現(xiàn)不規(guī)則多邊形等軸晶和伴有少量樹枝晶的初生α-Mg基體相以及在基體或晶界處分布的不連續(xù)黑色點(diǎn)狀第二相組成。隨著Zn含量的增多，顯微組織的晶粒尺寸不斷減小，少量的樹枝晶也逐漸細(xì)化，可見Zn能起到細(xì)化鑄態(tài)合金晶粒的作用。此外，隨著Zn含量的增多，彌散析出第二相數(shù)量增多，分布也更加均勻。

圖3是鑄態(tài)下Mg-Zn-Y合金SEM圖及EDS分析。圖4是不同Zn含量的鑄態(tài)合金XRD圖。由SEM圖可以看出析出相在α-Mg基體以及晶界處分布，呈白色顆粒狀；由EDS分析結(jié)果可知，白色析出相主要含有Mg、Zn和Y元素；結(jié)合XRD衍射圖譜，可以確定析出的第二相為Mg3Zn6Y.隨著Zn含量的增多，第二相衍射峰逐漸增強(qiáng)，表明第二相數(shù)量上的增多，這與圖2相一致。

圖3 鑄態(tài)Mg-Zn-Y合金SEM圖及EDS分析

定向凝固下不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的金相顯微組織如圖5所示。可以看出，與鑄態(tài)組織相比，定向凝固組織的晶粒大小以及形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，細(xì)小的等軸晶粒演化為粗大的柱狀晶。并且隨著拉伸速度的不斷增大，定向凝固合金組織也發(fā)生相應(yīng)的變化，表現(xiàn)為柱狀晶晶粒尺寸減小，尤其是組織寬度明顯降低；晶粒生長方向與軸向逐漸出現(xiàn)偏差；晶粒分布的均勻性降低以及晶界的連續(xù)性也逐漸變差；這主要是因?yàn)椋阂环矫?，單向熱流下不同拉伸速度下晶粒的生長速度不同，在定向凝固結(jié)晶過程中，存在溶質(zhì)再分配引起的成分過冷，界面前沿在不同的拉伸速度下成分過冷區(qū)域?qū)挾炔煌?，并且拉伸速度越大成分過冷區(qū)域越大，非均質(zhì)形核能力越強(qiáng)[7]；另一方面，隨著拉伸速度的不斷增大，生長速度不斷增大，導(dǎo)致組織生長的不規(guī)則性逐漸增加。此外，隨著拉伸速度的不斷增大，彌散分布的第二相也逐漸增多。

圖4 不同Zn含量的鑄態(tài)Mg-Zn-Y合金的XRD圖Fig.4 The XRD diagram of as-cast Mg-Zn-Y alloy with different Zn contents

(a) 0 um/s (b)5 um/s (c)10 um/s (d)25 um/s (e)50 um/s (f)100 um/s圖5 不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的金相顯微組織Fig.5 The microstructure of Mg-3Zn-Y alloy with different stretching rates

2.2 力學(xué)性能結(jié)果討論

2.2.1 Zn含量對鑄態(tài) Mg-xZn-Y合金室溫力學(xué)性能的影響

實(shí)驗(yàn)采用GB/T16865-1997標(biāo)準(zhǔn)，專門用于鋁、鎂及其合金材拉伸試驗(yàn)選取試樣。

試驗(yàn)合金的拉伸試樣尺寸如圖6所示。不同Zn含量鑄態(tài)合金的室溫力學(xué)性能如圖7所示。結(jié)果表明，當(dāng)Zn含量為1%～5%時，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率均隨著Zn含量的增加而增大，并且，當(dāng)Zn含量為5%時，最大抗拉強(qiáng)度為198.90Mpa，伸長率為10.07%.

圖6 試驗(yàn)合金的拉伸試樣尺寸Fig.6 The tensile sample size of test alloy

圖7 不同Zn含量鑄態(tài) Mg-Zn-Y合金的室溫力學(xué)性能Fig.7 The mechanical properties of as-cast Mg-Zn-Y alloy with different Zn contents at room temperature

含Zn鎂合金室溫力學(xué)性能的提高得益于第二相Mg3Zn6Y的彌散強(qiáng)化作用與Zn元素本身的細(xì)晶強(qiáng)化作用[8-9]。彌散分布的第二相能夠有效地阻止位錯的滑移，同時，在凝固前沿富Zn導(dǎo)致成分過冷，促進(jìn)異質(zhì)形核，阻礙了晶粒的長大，因此兩種強(qiáng)化機(jī)制共同使得力學(xué)性能提高。

2.2.2 拉伸速度對 Mg-3Zn-Y合金室溫力學(xué)性能的影響

不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的室溫力學(xué)性能如圖8所示，結(jié)果表明，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率的變化規(guī)律相同，均隨著拉伸速度的增大而增大，并且，當(dāng)拉伸速度為100 um/s時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了260.2 MPa，相比于鑄態(tài)合金，提高了44.1%；伸長率達(dá)到了14.46%，相比于鑄態(tài)合金，提高了61.7%.可見定向凝固可以顯著提高M(jìn)g-Zn-Y合金室溫力學(xué)性能。

圖8 不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的室溫力學(xué)性能

定向凝固工藝改變了試驗(yàn)合金的組織形態(tài)，使得等軸晶或樹枝晶組織演化為柱狀晶組織，從而消除了橫向晶界，由于橫向晶界垂直于主應(yīng)力方向，往往容易形成裂紋，導(dǎo)致力學(xué)性能嚴(yán)重下降，因此定向凝固大大提高了材料的單向力學(xué)性能[10]。由于隨著拉伸速度的增大，柱狀晶組織不斷細(xì)化，彌散分布的第二相增多，細(xì)晶強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化作用，使得力學(xué)性能進(jìn)一步提高。

2.3 導(dǎo)熱性能結(jié)果討論

2.3.1 Zn含量對鑄態(tài) Mg-xZn-Y合金導(dǎo)熱性能的影響

表二為Zn含量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。圖9所示為不同Zn含量鑄態(tài)合金的導(dǎo)熱性能，結(jié)果表明，當(dāng)Zn含量為1%～5%時，合金熱導(dǎo)率隨著Zn含量的增加而減小。并且，Zn含量增加對熱導(dǎo)率的影響十分明顯，呈線性下降趨勢。

表2 Zn含量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

Fig.9Thethermalconductivityofas-castMg-Zn-YalloywithdifferentZncontents

一般而言，合金的導(dǎo)熱性能主要與電子和聲子(晶格振動)的傳輸有關(guān)，而晶格畸變是電子和聲子傳輸?shù)恼系K[11-12]。合金元素與基體元素存在原子尺寸或者化合價的差異，因此合金元素的加入，無論是作為固溶原子還是形成第二相，必然引起晶格畸變，并且合金元素含量越高，晶格畸變越大，導(dǎo)熱性能越差。

2.3.2 拉伸速度對Mg-xZn-Y合金導(dǎo)熱性能的影響

不同拉伸速度下Mg-xZn-Y合金的導(dǎo)熱性能如圖10所示。

圖10 不同拉伸速度下Mg-xZn-Y合金的導(dǎo)熱性能

結(jié)果表明，合金的導(dǎo)熱性能隨著拉伸速度的增大而減小。但是，相比于鑄態(tài)合金，定向凝固合金的熱導(dǎo)率均有所提高。以Mg-3Zn-Y合金為例，當(dāng)拉伸速度為100 um/s時，定向凝固熱導(dǎo)率最低為128.64 W/(m·K)，,比鑄態(tài)合金提高了13.1%；當(dāng)拉伸速度為5 um/s時，合金的熱導(dǎo)率最高達(dá)到了149.73W/(m·K)，比鑄態(tài)合金提高了36.0%.固溶原子和第二相引起的晶格畸變，晶體缺陷如空位、位錯和界面等因素都會阻礙電子和聲子的傳輸，形成熱阻，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低[13-14]。定向凝固的柱狀晶組織，減少或消除了橫向晶界，方向性好，成為導(dǎo)熱的優(yōu)化通道，導(dǎo)熱性能明顯提高。但是隨著拉伸速度的增大，柱狀晶趨逐漸減弱，最后甚至無法形成柱狀晶，并且形成的柱狀晶也逐漸細(xì)化，第二相彌散分布也增多，熱阻也逐漸增大，導(dǎo)致熱導(dǎo)率的逐漸降低。

3 結(jié) 論

(1)Mg-xZn-Y合金組織主要由α-Mg基體相與第二相Mg3Zn6Y相組成；Zn可以細(xì)化鑄態(tài)合金組織，隨著隨著Zn含量的增多，晶粒細(xì)化，彌散析出第二相數(shù)量增多，分布也更加均勻；定向凝固能夠使鑄態(tài)合金組織由等軸晶或樹枝晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變，隨著拉伸速度的增大，柱狀晶細(xì)化，寬度變窄。

(2)鑄態(tài)合金的室溫力學(xué)性能隨著Zn含量的增加而增大，并且，當(dāng)Zn含量為5%時，最大抗拉強(qiáng)度為198.9 Mpa，伸長率為10.07%；定向凝固合金的室溫力學(xué)性能隨著拉伸速度的增大而增大，并且，當(dāng)拉伸速度為100 um/s時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了260.2 Mpa，相比于鑄態(tài)合金，提高了44.1%；伸長率達(dá)到了14.46%，相比于鑄態(tài)合金，提高了61.7%.

(3)鑄態(tài)合金熱導(dǎo)率隨著Zn含量的增加而減?。欢ㄏ蚰毯辖馃釋?dǎo)率隨著拉伸速度的增大而減小，但是，相比于鑄態(tài)合金，定向凝固合金的熱導(dǎo)率均有所提高。

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Microstructure,MechanicalPropertiesandThermalCondutivityofMg-xZn-YAlloy

HU Yan-kun, LI Qiu-shu, GUO Hui-ling, LI Jian-wen, WU Rui-rui

(Academy of Materials Science and Engineering ，Taiyuan University of Science and Technology， Taiyuan 030024, China)

In this paper, the effects of Zn content and stretching rate of directional solidification on the microstructure, mechanical properties and thermal conductivity of Mg-Zn-Y alloy were studied. The results show that the Mg-xZn-Y (x=1,3,5wt%) alloy is mainly composed of α-Mg與Mg3Zn6Y. With the increasing of Zn content, grains are refined; directional solidification changes the microstructure from equiaxedequated crystal or dendrite to columnar crystal, with the increasing of stretching rate, the columnar crystal was becoming becomes finer. The mechanical properties of as-cast alloy increases with the increasing of Zn content; the mechanical properties of directionally solidified alloy increases with the increasing stretching rate increasing, when the stretching rate is 100 um/s, tensile strength reaches 260.2 MPa, compared comparing with the as-cast alloy enhanced by 44.1%.The thermal conductivity of as-cast alloy decreases with the increasing of Zn content and the thermal conductivity of directionally solidified alloy decreases with the increasing of stretching rate, but compared comparing with the as-cast alloy, the thermal conductivity of directionally solidified alloy is improved.

Mg-xZn-Y alloy， microstructure， mechanical property， thermal conductivity

1673-2057(2018)01-0048-06

2016-11-11

晉城市科技計(jì)劃項(xiàng)目( 201501004-13) ,山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目(2016BY137)

胡延昆(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩p質(zhì)高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料；通訊作者：李秋書教授,E-mail：liqiushu@sina.com.

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2018.01.009