稀土Y變質對過共晶合金MG-33Al合金組織的影響*

楊建東

（西安航空職業(yè)技術學院， 陜西西安710089）

鎂合金以其低密度、高比強度、高比剛度、良好的減震性和切削加工性成為重要的輕質結構材料，被廣泛應用于航天、航空、交通領域[1]，如飛機螺旋槳、發(fā)動機曲柄箱、儀表盤、輪轂等。由于鎂合金為密排六方晶體結構，在塑性變形中可開動的滑移系較少，導致其塑性較差，另外，鎂鋁合金中的共晶β-Mg17Al12相[2]對合金的性能有很大影響，粗大連續(xù)的β相會降低鎂合金的力學性能， 所以減少連續(xù)分布的β相，讓其彌散分布在鑄態(tài)組織當中是改善其機械性能的主要手段。目前，通過添加稀土元素變質，既能減少共晶相析出，還能形成穩(wěn)定的金屬間化合物，從而提高鎂合金性能[3-5]，研究表明，稀土Y和細化AZ31的顯微組織，可產生彌散分布的高熔點第二相Al2Y，從而改善鎂合金的室溫和高溫力學性能[6-7]。通過向鎂中添加Y元素得出Y的添加后形成了Mg24Y5相[8]，經過熱處理后基本固溶進鎂基體相，使鎂合金獲得最佳的強度和伸長率。通過向鎂中添加Y和Zn元素[9]，鎂合金中會形成LPSO結構提高其強度[10-11]，為了研究β-Mg17Al12相在凝固過程中形核長大機制以及稀土Y元素減少。為了更細致地研究Y對鎂合金中共晶組織的影響規(guī)律，本文采用接近共晶成分的Mg-Al合金中添加變質劑，高鋁含量成分可觀察大量的共晶組織，羅紅斌[12]研究了高鋁鎂合金組織，但并未向其中添加Y元素，這也為本文添加變質劑提供了一定的參考，有助于分析變質劑Y對共晶組織的作用機理。

1 實驗材料及方法

以純鎂（99.8%）、純鋁（99.8%）、中間合金Mg-30%Y為原料，制備Mg-33Al、Mg-33Al-0.5Y、Mg-33Al-0.8Y、Mg-33Al-1.2Y合金。原料材料先用丙酮清洗再進行烘干處理，在電阻爐中進行加熱并熔化，爐溫到710℃時，將金屬液澆注到金屬型模具中，在鑄錠底部取大小為1cm ×1cm試樣，經不同型號砂紙拋光后，采用4%的硝酸酒精進行腐蝕。采用Nikon Epiphot光學顯微鏡（OM）、JSM-6700F掃描電鏡（SEM）及附帶的能譜儀（EDS）進行顯微組織分析。采用XRD-7000S型X射線衍射儀分析合金物相組成。

2 實驗結果分析

2.1 稀土Y變質對過共晶Mg-33Al合金凝固組織的影響

圖1中為Y含量為0、0.5%、0.8%、1.2%的Mg-33Al合金的凝固組織金相照片，通過添加變質劑Y來觀察微觀組織的變化規(guī)律。

圖1 Mg-33Al合金中Y含量不同的鑄態(tài)金相組織Fig.1 Optical micrograph of the cast Mg-33Al alloys with different yttrium addition

通過金相照片可以看出，過共晶成分Mg-33Al加入稀土Y變質劑后，對鎂-鋁合金系凝固組織產生很大影響，圖1（a）為Mg-33Al合金在未加入變質劑前凝固組織，其中出現(xiàn)大量的淺白色初生β相，并且以樹枝晶的方式長大。圖1（b）同為0.5%Y變質條件下含鋁33%鎂合金的合金，凝固組織的差異明顯，通過Y含量的微小變化量研究變質劑對組織的影響規(guī)律。研究稀土元素對共晶成分Mg-Al合金的變質作用。圖1（a）是不含變質劑Y的凝固組織，以粗大樹枝晶為主。（b）加入的Y含量為0.5%，可以看出，合金凝固組織中初生樹枝晶β相的特征消失，形成密集由共晶胞構成的共晶集群結構，圖1（a）和（b)是在同樣的澆注條件進行的，這說明加入0.5%Y變質劑對合金產生了明顯的變質效果，分析其原因主要是由于Y的加入，生成Al2Y新相，奪取了合金中一部分Al原子，使凝固過程中含鋁33%晶間殘留液相中的Al含量降低，更接近共晶點32.3%，當剩余液成分相降低到共晶點時全部以共晶組織結晶，也就是如（b）中所示的共晶結構，從Mg-Al二元相圖上看，相當于共晶成分點向相圖右側偏離。（c）為變質劑Y含量為0.8%，Al 33%的鎂-鋁合金凝固組織，這與（b）中的組織相比變化不大，但共晶晶胞尺寸有所減小，圖1（d）組織中出現(xiàn)了板條狀狀相，對其形成機理下節(jié)有詳細介紹，也說明不同Y含量變質對鎂合金凝固組織的影響不同。

2.2 稀土Y變質對共晶組織中β相析出與生長

稀土Y變質劑的加入，合金的共晶組織形貌特征發(fā)生了變化，為了進一步研究β相的形貌特征和生長規(guī)律，本實驗對不同Y含量變質下的合金進行掃描電鏡觀察，如圖2所示。

圖2 Mg-33Al合金樹枝晶和共晶組織SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of dendrite and eutectic crystal of Mg-33Al alloy

圖2（a）為金屬型鑄造過共晶成分合金Mg-33Al的組織，其中淺灰色凸起的是β相，枝晶結構生長特征明顯。圖2（b）是（a)放大后的形貌，可以看出，初生樹枝晶β相應為共晶組織的形成提供了條件，這與亞共晶成分合金的共晶生長有所不同。

稀土Y變質后的高鋁鎂合金中的共晶組織與未變質的相比，由圖3可以看出，（a）中的共晶晶胞組織以典型的層片狀和棒狀形態(tài)析出，共晶晶粒的晶界分布明顯，圖3（b）顯微組織出現(xiàn)有長短不一的桿狀共晶組織，晶粒內部呈對稱分布。

圖3 稀土Y變質下Mg-33Al共晶組織形貌Fig 3 Eutectic microstructure of Mg-33Al alloy under rare earth Y modif ication condition

圖3（c）、（d）是放大后觀察到的組織形貌，共晶組織呈羽毛發(fā)散狀分布在晶粒內部。本實驗對桿狀相進行了能譜分析和X射線衍射圖譜，分別見圖4和表1，得出桿狀組織為β-Mg17Al12相。

圖4 高鋁鎂合金桿狀相掃描照片F(xiàn)ig 4 The SEM image of batten-like eutectic in high aluminum- content magnesium alloy

表1 板條狀相的能譜元素含量（%）Table 1 EDX analysis result of point A in Fig.4

2.3 稀土Y在Mg-33Al合金中的存在形態(tài)與分布特征

為了觀察稀土Y變質下，過共晶凝固組織中生成的新相Al2Y化合物的分布規(guī)律，分析在變質劑作用下Al2Y化合物的形態(tài)特征，通過對過共晶成分合金凝固組織進行掃描電鏡觀察，如下圖5所示。

圖5 稀土Y變質下Mg-33Al晶界處Al2Y的分布規(guī)律Fig.5 Distribution rules of Al2Y in crystal boundary of Mg-33Al alloy under rare earth Y modif ication condition

從圖5中可以看出，白色顆粒狀化合物主要分布在共晶晶粒的晶界處，而在樹枝狀共晶晶粒內部并沒有發(fā)現(xiàn)類似的顆粒狀物質，含Y化合物形態(tài)不規(guī)則，直徑尺寸在3μm～7μm之間，通過對合金進行XRD以及EDX能譜進行微區(qū)成分分析（表2），圖6為不同Y含量33%Al鎂合金樣品的XRD 圖譜，可以看出，含稀土Y量為1.2%和1.5%的合金樣品中看到明顯的Al2Y的衍射峰，由此判斷，上述晶界偏聚白色顆粒狀物質為含Y相化合物，生成的Al2Y相會在共晶組織晶界以顆粒狀偏聚，從而進一步了解了稀土Y在鎂合金中存在的形態(tài)特征以及形成機制。

圖 6 Y含量為1.2%和1.5%Mg-33Al合金的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of Mg-33Al with 1.2% and1.5% yttrium additions

表2 白色顆粒狀物質能譜元素含量（%）Table 2 EDX analysis result of particle in Fig.5

3 結論

（1）稀土變質后的Mg-33Al高鋁鎂合金中的共晶組織與未變質的相比，共晶晶胞組織以層片狀和桿狀形態(tài)析出，共晶晶粒的晶界清晰，顯微組織中出現(xiàn)了大量交錯分布的細桿狀共晶組織。

（2）稀土Y含量為1.2%和1.5%的Mg-33Al合金樣品中有明顯的Al2Y的衍射峰，Y在鎂合金中以白色顆粒狀Al2Y化合物形式存在，直徑尺寸在3μm～7μm之間，彌散分布于共晶組織晶界處，局部出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。