張義俊,門 凱,郭簫玥,盧志安

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院,鄭州 451450;2.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)

0 引 言

鎂鋰合金具有密度小(1.4～1.7 g·cm-3),比強(qiáng)度高,延展性、阻尼性能和電磁屏蔽性能良好等特點(diǎn)[1-2],在交通運(yùn)輸、電子、航空航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)鎂鋰合金二元相圖,當(dāng)鋰質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5.7%～ 10.3%時(shí),鎂鋰合金為(α+β)雙相組織,當(dāng)鋰質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10.3%時(shí)為β單相組織[3]。體心立方結(jié)構(gòu)β相的存在使得鎂鋰合金具有較多滑移系,變形能力相對(duì)更好,可進(jìn)行常溫軋延、沖壓等塑性加工[4],但其強(qiáng)度較低[5-6]。釔是一種與鎂晶體結(jié)構(gòu)相似,能在鎂合金中起到固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化作用的稀土元素,加入鎂鋰合金中可提高其室溫、高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能[7]。而且,將釔與鋅按一定比例同時(shí)添加到鎂鋰合金中,可在合金中形成Mg3Zn6Y1等準(zhǔn)晶相[8],使得合金在保持良好塑性變形能力的基礎(chǔ)上獲得較高的強(qiáng)度和較好的耐腐蝕性能等,從而擴(kuò)大其工業(yè)應(yīng)用范圍。

作者對(duì)比研究了相同工藝熱擠壓變形后Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同)、Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y鎂鋰合金的顯微組織、密度和力學(xué)性能,以期為探究單/雙相鎂鋰合金組織與性能的異同,并進(jìn)一步通過成分優(yōu)化和熱變形提高鎂鋰合金的綜合力學(xué)性能提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y和Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y鎂鋰合金鑄錠,均由山西銀光鎂業(yè)集團(tuán)提供,采用真空感應(yīng)熔煉法制備。采用線切割截取尺寸為φ60 mm×100 mm的圓柱體試樣,采用NB-SX2-8-16TP型箱式電阻爐進(jìn)行200 ℃×10 h的均勻熱處理,空冷至室溫,再經(jīng)285 ℃×1 h的預(yù)熱處理后,在XJ-800SM型擠壓機(jī)(擠壓模具先進(jìn)行285 ℃×15 min的預(yù)熱處理)中進(jìn)行熱擠壓變形,擠壓后空冷至室溫,擠壓比為15.8,擠壓后截面尺寸為30 mm×6 mm。

采用線切割截取尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的金相試樣,經(jīng)磨拋和體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用奧林巴斯GX81型光學(xué)顯微鏡觀察鑄態(tài)和熱擠壓態(tài)試樣的顯微組織,并采用附帶的Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸[9]。采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析物相,采用銅靶,加速電壓為30 kV,電流為150 mA,掃描速率為2 (°)·min-1。采用FEI Quanta 400F型掃描電鏡(SEM)觀察微觀形貌,采用附帶的能譜儀分析微區(qū)成分。采用JH955-XS-120F型密度測(cè)試儀測(cè)試密度[10]。采用HV-1000型數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)試硬度,載荷為1.96 N,保載時(shí)間為10 s,測(cè)5點(diǎn)取平均值。根據(jù)GB/T 228—2010,沿?cái)D壓方向截取拉伸試樣,尺寸如圖1所示,采用MTS-810型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試室溫拉伸性能,應(yīng)變速率為10-3s-1,測(cè)3組取平均值。在拉伸斷裂的試樣上沿拉伸方向剖開,用無水乙醇超聲清洗截面后采用FEI Quanta 400F型掃描電鏡觀察近斷口處截面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織和物相組成

由圖2可見:鑄態(tài)Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金由亮白色塊狀α-Mg相、灰色β-Li相以及斷續(xù)分布的Mg3Zn6Y1相組成,是典型的(α+β)雙相鎂鋰合金;鑄態(tài)Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金由β-Li相和Mg3Zn6Y1相組成,未見α-Mg相,是典型的β單相鎂鋰合金,且由于鋅和釔質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高,晶界處Mg3Zn6Y1相相比于Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中更加連續(xù),體積分?jǐn)?shù)更大;擠壓態(tài)Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中的α-Mg相和β-Li相沿?cái)D壓方向變形,呈條狀;擠壓態(tài)Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金在擠壓作用下形成了少量尺寸較小的α-Mg相,這主要是與擠壓過程中Mg3Zn6Y1相破碎造成鎂元素從共晶化合物中擴(kuò)散出來有關(guān)[11-12]。在熱擠壓過程中兩種合金中的Mg3Zn6Y1相都發(fā)生了破碎,且都沿著擠壓方向發(fā)生變形,但是α-Mg相未發(fā)生明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

由圖3可見:擠壓態(tài)Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y、Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金的平均晶粒尺寸分別為(12.2±7.0), (10.9±3.8) μm。Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y鑄態(tài)合金因其組織主要為體心立方結(jié)構(gòu)β相而具有較多滑移系,擠壓變形過程中β相會(huì)優(yōu)先發(fā)生塑性變形并發(fā)生再結(jié)晶,晶粒尺寸相對(duì)較小;Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中的α相會(huì)因?yàn)棣孪嗟能浕瘏f(xié)調(diào)作用而釋放應(yīng)力,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較為困難,所以晶粒尺寸相對(duì)較大。

圖3 擠壓態(tài)鎂鋰合金的粒徑分布Fig.3 Grain size distribution of extruded magnesium-lithium alloys

由圖4結(jié)合能譜結(jié)果分析可知:兩種擠壓態(tài)鎂鋰合金中的條狀區(qū)域主要含有原子分?jǐn)?shù)分別為98.47%和1.53%的鎂和鋅,為α-Mg相;等軸晶區(qū)主要含有原子分?jǐn)?shù)分別為97.12%和2.88%的鎂和鋅,即β-Li相;亮白色細(xì)小顆粒中鋅與釔的原子比約為5.88,為Mg3Zn6Y1相[13];大尺寸塊狀顆粒中鋅與釔的原子比約為1.52,為Mg3Zn3Y2相[14];界面處顏色相對(duì)較淺區(qū)域鎂、鋅、鋰的原子比接近于1…1…1, 為LiMgZn相;兩種擠壓態(tài)鎂鋰合金中鋅、釔元素主要分布在亮白色顆粒中,且此兩種元素主要在第二相上富集,而在α-Mg、β-Li相中固溶較少。

圖4 擠壓態(tài)鎂鋰合金的SEM形貌和元素面掃描結(jié)果 Fig.4 SEM morphology (a,c) and element surface scanning results (b,d) of extruded magnesium-lithium alloys

由圖5可知:兩種擠壓態(tài)合金均主要由α-Mg相、β-Li相、Mg3Zn6Y1相和少量的Mg3Zn3Y2相、LiMgZn相組成;Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中的Mg3Zn3Y2相和LiMgZn相衍射峰強(qiáng)度更高,這主要是因?yàn)槠滗\、釔含量相對(duì)更高,形成了更多的第二相[15-16]。擠壓態(tài)Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中α-Mg相、β-Li相、第二相(Mg3Zn6Y1、Mg3Zn3Y2、LiMgZn相)的平均尺寸分別為64.7,13.3,4.4 μm,體積分?jǐn)?shù)分別為14.1%,79.0%,6.9%;擠壓態(tài)Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中α-Mg相、β-Li相、第二相的平均尺寸分別為22.3,12.0,4.6 μm,體積分?jǐn)?shù)分別為4.3%,86.1%,9.6%。

圖5 擠壓態(tài)鎂鋰合金的XRD譜Fig.5 XRD patterns of extruded magnesium-lithium alloys

2.2 密度和力學(xué)性能

試驗(yàn)得擠壓態(tài)Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金的密度、硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為1.56 g·cm-3,66.2 HV,186 MPa,223 MPa和30.4%;擠壓態(tài)Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金分別為1.58 g·cm-3,68.9 HV,200 MPa,231 MPa和29.8%。可知:相比擠壓態(tài)Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金,擠壓態(tài)Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金的密度更高, 這與其含有更多大原子序數(shù)鋅、 釔元素有關(guān)[17],其硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度更大,分別增加了2.72%,7.53%,3.59%,但斷后伸長率略有減小,這主要是因?yàn)楦嗟匿\、釔元素會(huì)產(chǎn)生更大的晶格畸變從而增強(qiáng)固溶強(qiáng)化作用[18];此外,該合金的平均晶粒尺寸更小、第二相體積分?jǐn)?shù)更大,細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用更強(qiáng)[19]。

由圖6可見:兩種擠壓態(tài)合金中的α-Mg相在靠近拉伸斷口的高應(yīng)變區(qū)沿拉伸方向延伸呈細(xì)條狀,在遠(yuǎn)離拉伸斷口的低應(yīng)變區(qū)仍然呈塊狀,β-Li相和Mg3Zn6Y1相在高應(yīng)變區(qū)也有沿著拉伸方向變形的趨勢(shì)。在拉伸過程中,α-Mg相和β-Li相可以起到協(xié)調(diào)變形作用從而使合金具有良好的塑性[20],而彌散分布的第二相可以起到釘扎位錯(cuò)作用,阻礙位錯(cuò)滑移從而提高強(qiáng)度[21]。擠壓態(tài)Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中α-Mg相的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較小,β-Li相、第二相體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較大,因此其變形協(xié)調(diào)能力相對(duì)更差,斷后伸長率相對(duì)較低。

圖6 擠壓態(tài)鎂鋰合金近拉伸斷口截面微觀形貌Fig.6 Cross-section micromorphology near tensile fracture of extruded magnesium-lithium alloys

3 結(jié) 論

(1) 鑄態(tài)Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金主要由α-Mg相、β-Li相、Mg3Zn6Y1相組成,為(α+β)雙相鎂鋰合金,鑄態(tài)Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金主要由β-Li相、Mg3Zn6Y1相組成,為β單相鎂鋰合金;經(jīng)熱擠壓變形后,雙相鎂鋰合金中α-Mg相沿?cái)D壓方向變形呈條狀,兩種合金中的Mg3Zn6Y1相均發(fā)生破碎并沿?cái)D壓方向變形,β單相鎂鋰合金擠壓后形成少量尺寸較小的α-Mg相。

(2) 相比雙相鎂鋰合金,β單相鎂鋰合金的平均晶粒尺寸較小,第二相(Mg3Zn6Y1、Mg3Zn3Y2、LiMgZn相)平均尺寸和體積分?jǐn)?shù)較大。

(3) 相比雙相鎂鋰合金,β單相鎂鋰合金的硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度更大,分別增加2.72%,7.53%,3.59%,斷后伸長率略有減小。兩種擠壓態(tài)合金中α-Mg相在高應(yīng)變區(qū)沿拉伸方向延伸呈細(xì)條狀,在低應(yīng)變區(qū)呈塊狀,β-Li相和Mg3Zn6Y1相在高應(yīng)變區(qū)沿拉伸方向呈變形趨勢(shì)。