熱處理對Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金組織與力學(xué)性能的影響

田凱凱， 李全安,2， 陳曉亞,2， 梅婉婉， 陳培軍， 李向宇， 譚勁峰

(1. 河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 洛陽 471023；2. 有色金屬新材料與先進加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 洛陽 471023；3. 洛陽晟雅鎂合金科技有限公司， 河南 洛陽 471921；4. 洛陽銅加工集團有限責(zé)任公司， 河南 洛陽 471003；5. 中鋁洛陽銅加工有限公司， 河南 洛陽 471003)

鎂合金作為“21世紀綠色工程材料”，在滿足綠色環(huán)保要求的基礎(chǔ)上，還具有高比剛度和比強度、優(yōu)異的彈性模量、良好的阻尼性、導(dǎo)熱性和鑄造性能等諸多優(yōu)點，在航空航天、汽車裝備及電子通訊產(chǎn)業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。與鋁合金和鋼鐵等結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金的輕量化特征更為明顯，資源更加豐富，然而由于其絕對強度低、變形加工困難、高溫抗蠕變性能及耐蝕性差等問題，嚴重阻礙了鎂合金的大規(guī)模應(yīng)用[3-4]。近年來，長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(LPSO)引起了人們廣泛關(guān)注，LPSO結(jié)構(gòu)具有顯著的強韌性，在增強鎂合金強度的同時還能保證其具有較好的塑性，其形狀和數(shù)量可通過RE/Zn的添加比例、合金的凝固條件和熱處理工藝進行調(diào)控，這為改善鎂合金的組織性能提供了新方法[4-6]。

自Luo等[7]在研究Mg-Zn-Zr-RE合金中首次發(fā)現(xiàn)18R-LPSO結(jié)構(gòu)以來，含LPSO結(jié)構(gòu)的Mg-RE-Zn合金成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，并陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了垂直于(0002)α-Mg基面，具有不同堆疊序列的6H、10H、14H、18R和24R的LPSO結(jié)構(gòu)[1,4-5,8]，Kawamura等[9]將不同類型LPSO結(jié)構(gòu)分為兩類：第一類LPSO結(jié)構(gòu)在凝固過程中作為第二相沿晶界形成；第二類LPSO結(jié)構(gòu)在高溫?zé)崽幚磉^程中從α-Mg基體中析出。Wu等[10]研究了LPSO結(jié)構(gòu)形貌對Mg-10Gd-1Zn-0.5Zr合金力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)沿晶界分布的塊狀LPSO結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能影響較小，而基體內(nèi)析出的片狀LPSO結(jié)構(gòu)降低了合金塑性。Wang等[11]通過熱處理和微合金化等手段調(diào)控Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金中LPSO結(jié)構(gòu)的種類、含量以及形態(tài)，發(fā)現(xiàn)層片狀LPSO結(jié)構(gòu)可顯著提高合金的強度，而塊狀LPSO結(jié)構(gòu)有利于合金塑性的提升，且層片狀LPSO結(jié)構(gòu)越細小致密，合金強度提升越明顯。Li等[12]對Mg-7Gd-3Y-1Nd-1Zn-0.5Zr合金的顯微組織進行了研究，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)崽幚砜稍诰Ы缂熬Ы绺浇纬蓧K狀LPSO結(jié)構(gòu)，而低溫有利于在α-Mg晶粒內(nèi)形成針狀LPSO結(jié)構(gòu)，進一步研究發(fā)現(xiàn)這兩種形態(tài)的LPSO結(jié)構(gòu)均為14H-LPSO相，且固溶后爐冷會使塊狀LPSO結(jié)構(gòu)分解。曾小勤等[13]對Mg-Gd-Zn-Zr合金中LPSO結(jié)構(gòu)和時效相進行了研究，發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)固溶和時效處理后性能有明顯改善，晶內(nèi)、晶界處LPSO結(jié)構(gòu)和時效相復(fù)合強化是合金性能提高的主要原因。

以上研究表明，合金成分、熱處理工藝不同，合金中組織變化以及對力學(xué)性能的影響也存在明顯的差別，為進一步豐富Mg-Gd-Y系合金體系，本文以Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金為研究對象，對合金進行固溶和時效處理，研究合金鑄態(tài)、固溶態(tài)、時效態(tài)組織變化及其對力學(xué)性能的影響等，討論力學(xué)性能強化機理，以期為開發(fā)新型輕質(zhì)高性能鎂合金提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

試驗所用原材料有純鎂錠(99.98%)、純鋅顆粒、中間合金Mg-30Gd、Mg-30Y和Mg-30Zr(質(zhì)量分數(shù)，%)。合金熔煉在型號為ZGJL0.01-40-4的中頻電磁感應(yīng)爐中進行，熔煉采用剛玉坩堝，熔煉和澆鑄過程中持續(xù)通入體積比為99∶1的CO2和SF6混合氣體進行保護。在熔煉時將純鎂塊、Mg-30(Gd/Y)、Mg-30Zr和純鋅顆粒依次加入，待合金完全熔化后在750 ℃保溫5 min，然后澆注到預(yù)熱200 ℃的鋼制模具中。將熔煉所得合金在箱式電阻爐中進行固溶和時效處理。固溶工藝為500 ℃×10 h，時效工藝為225 ℃×12 h。

采用Zeiss Axio Vert A1光學(xué)顯微鏡(OM)和配有能譜儀(EDS)的JSM-7800F掃描電鏡(SEM)對合金不同區(qū)域的元素組成、顯微組織以及拉伸斷口形貌進行觀察分析，采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對合金物相進行分析，采用SHIMADZU AG-I 250 KN萬能試驗機對不同狀態(tài)合金力學(xué)性能進行測試，拉伸速率為1 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為不同熱處理狀態(tài)Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的XRD圖譜。從圖1可以看出，合金鑄態(tài)、固溶態(tài)和時效態(tài)組織均由α-Mg基體、Mg5(Gd, Y, Zn)相和LPSO結(jié)構(gòu)組成。經(jīng)過固溶、時效處理后，合金中Mg5(Gd, Y, Zn)相對應(yīng)的衍射峰強度增加，表明固溶、時效處理后合金中Mg5(Gd, Y, Zn)相的含量增多。

圖1 不同熱處理狀態(tài)Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr alloy with different heat treatments

圖2為Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的光學(xué)顯微組織。鑄態(tài)合金組織由α-Mg基體、晶內(nèi)粗大的層片相、晶界處的塊狀相和黑色顆粒狀相組成(見圖2(a))。根據(jù)文獻[14-16]并結(jié)合圖1的XRD分析結(jié)果可知，晶界處黑色顆粒狀相為Mg5(Gd, Y, Zn)相，該相在晶界處偏聚；晶內(nèi)粗大的層片相和晶界處的塊狀相為LPSO結(jié)構(gòu)。與鑄態(tài)組織相比，合金固溶后的組織發(fā)生了明顯變化，從圖2(b)可以看出，晶內(nèi)粗大的層片相消失，出現(xiàn)了針狀的LPSO結(jié)構(gòu)，在基體中還發(fā)現(xiàn)一些分布較為均勻的黑色方塊狀顆粒，結(jié)合XRD圖譜分析可知，這些方塊狀顆粒為Mg5(Gd, Y, Zn)相。合金經(jīng)時效處理后的顯微組織如圖2(c)所示，能夠清晰地觀察到合金晶界，晶界處仍有許多塊狀LPSO結(jié)構(gòu)。

圖2 不同熱處理狀態(tài)Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的光學(xué)顯微組織(a)鑄態(tài)；(b)固溶態(tài)；(c)時效態(tài)Fig.2 Optical microstructure of the Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr alloy with different heat treatments(a) as-cast; (b) solution treated; (c) aged

圖3為Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的SEM組織形貌，表1為圖3中不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果。從圖3(a)可以觀察到，鑄態(tài)合金的基體周圍分布著大量灰色的塊狀LPSO結(jié)構(gòu)以及較少的亮白色團簇共晶相，并且這些團簇共晶相附著在塊狀LPSO結(jié)構(gòu)之間，而層片狀LPSO結(jié)構(gòu)相對較少。固溶處理后的SEM組織如圖3(b)所示，針狀LPSO結(jié)構(gòu)分布在晶界處的塊狀LPSO結(jié)構(gòu)周圍，并向晶內(nèi)生長，這與文獻[12,14]描述的14H-LPSO結(jié)構(gòu)一致；此外，鑄態(tài)合金中亮白色的團簇共晶相消失，另一種較小的亮白色方塊狀Mg5(Gd, Y, Zn)相分布在塊狀和針狀LPSO結(jié)構(gòu)周圍。合金經(jīng)時效處理后的SEM組織如圖3(c)所示，與固溶態(tài)相比，時效態(tài)合金中LPSO結(jié)構(gòu)含量更多且分布更加均勻。根據(jù)表1的EDS分析結(jié)果可知，鑄態(tài)、固溶態(tài)以及時效態(tài)合金中，塊狀LPSO結(jié)構(gòu)中的稀土(Gd、Y)含量分別為7.05%、6.78%和6.10%，固溶和時效態(tài)合金中亮白色方塊狀Mg5(Gd, Y, Zn)相的稀土(Gd、Y)含量較高，分別達到66.10%和62.81%。可見，經(jīng)固溶處理和時效處理后，塊狀LPSO結(jié)構(gòu)中稀土元素的含量有微量減少，說明塊狀LPSO結(jié)構(gòu)在固溶和時效過程中發(fā)生了部分溶解；亮白色方塊狀Mg5(Gd, Y, Zn) 相在固溶處理過程中產(chǎn)生，且在時效后仍保持較高的稀土含量，表明Mg5(Gd, Y, Zn)相為高溫穩(wěn)定相，這與文獻[9，16]的描述一致。

圖3 不同熱處理狀態(tài)Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的SEM組織(a)鑄態(tài)；(b)固溶態(tài)；(c)時效態(tài)Fig.3 SEM microstructure of the Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr alloy with different heat treatments(a) as-cast; (b) solution treated; (c) aged

表1 圖3中各標注點的EDS分析結(jié)果(原子分數(shù)，%)

2.2 力學(xué)性能與強化機制

不同狀態(tài)Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的力學(xué)性能測試結(jié)果如圖4所示，UTS、YS和EL分別表示最大抗拉強度、屈服強度和伸長率。鑄態(tài)合金最大抗拉強度和伸長率僅有187.96 MPa、8.48%，合金經(jīng)固溶處理后的最大抗拉強度和伸長率分別提高到223.26 MPa和13.33%。進一步時效處理后，合金的最大抗拉強度達到241.93 MPa，伸長率為13.91%。固溶和時效處理明顯提高了合金的強度和伸長率。與鑄態(tài)合金相比，固溶態(tài)和時效態(tài)合金的最大抗拉強度分別提高了18.78%和28.71%，伸長率分別提高了57.19% 和64.03%。

圖4 不同熱處理狀態(tài)Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的室溫力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties at room temperature of the Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr alloy with different heat treatments

圖5為Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金拉伸斷口形貌。由圖5(a)可知，鑄態(tài)合金拉伸斷口具有大量的撕裂棱。與鑄態(tài)合金相比，固溶態(tài)合金和時效態(tài)合金的斷口形貌仍具有大量的撕裂棱和解理刻面，且固溶態(tài)合金斷口上的解理刻面比時效態(tài)大(見圖5(b，c))。不同狀態(tài)合金的拉伸斷口形貌均以脆性斷裂為主。

圖5 不同熱處理狀態(tài)Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的拉伸斷口形貌(a)鑄態(tài)；(b)固溶態(tài)；(c)時效態(tài)Fig.5 Tensile fracture morphologies of the Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr alloy with different heat treatments(a) as-cast; (b) solution treated; (c) aged

稀土元素Gd和Y的原子半徑分別為0.179 nm和0.178 nm，與Mg(原子半徑0.160 nm)原子尺寸相差不大，兩者在鎂中的最大固溶度分別為23.3%、12.0%(質(zhì)量分數(shù))，且隨溫度降低，固溶度顯著降低[17-18]。在固溶過程中，溶質(zhì)原子Gd和Y溶入合金基體中形成置換固溶體，由于與Mg存在原子半徑和彈性模量上的差異，導(dǎo)致原來規(guī)則排列的晶格發(fā)生不同程度的畸變，當位錯經(jīng)過畸變區(qū)域時會使其運動受阻[19]，起到固溶強化的作用，進而提高了合金強度；時效處理時，Gd和Y在鎂中的固溶度急劇下降，從過飽和固溶體中析出后形成具有較高強度和硬度的第二相，彌散分布在基體和晶界，這些彌散分布的第二相可有效釘扎位錯，起到時效強化的作用，從而導(dǎo)致合金強度增加。此外，固溶和時效處理使合金中的稀土元素分布更加均勻，減小了晶界處的應(yīng)力集中，也有利于合金性能的提升。

結(jié)合圖3的組織分析可知，鑄態(tài)合金塑性較差的主要原因是鑄態(tài)合金中第二相聚集在能量較為混亂的晶界處，在拉伸過程中應(yīng)力在晶界處集中，形成裂紋源，最終造成試樣斷裂。經(jīng)固溶處理后，合金中大部分第二相溶入基體中形成方塊相，方塊相和針狀LPSO結(jié)構(gòu)均可有效地釘扎位錯，阻礙位錯運動，提高合金的強度，而晶界處的塊狀LPSO結(jié)構(gòu)不僅可以有效阻礙位錯在晶界處移動，還能釘扎晶界，抑制晶界滑動，提高合金的強韌性。時效處理使合金中的LPSO結(jié)構(gòu)含量增多且分布更加均勻，使LPSO結(jié)構(gòu)的強化效果更明顯，因此，時效后合金的抗拉強度和伸長率進一步提高。

3 結(jié)論

1) Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金鑄態(tài)、固溶態(tài)和時效態(tài)組織均由α-Mg基體、Mg5(Gd, Y, Zn)相和LPSO相組成，固溶處理促進了Mg5(Gd, Y, Zn)相和針狀LPSO結(jié)構(gòu)的析出，時效使LPSO結(jié)構(gòu)的含量增加且分布更加均勻。

2) 固溶和時效處理可明顯提高Mg-8Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的力學(xué)性能。合金經(jīng)固溶和時效處理后的最大抗拉強度由鑄態(tài)的187.96 MPa提高到241.93 MPa，提高了28.71%，伸長率由鑄態(tài)的8.48%提高到13.91%，提高了64.03%。