熱變形對Mg-9Zn-2Gd-1Y合金微觀組織的影響

金承龍，袁家偉

（1.西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.北京有色金屬研究總院，北京 100088）

熱變形對Mg-9Zn-2Gd-1Y合金微觀組織的影響

金承龍1，袁家偉2

（1.西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.北京有色金屬研究總院，北京 100088）

對不同冷卻速率的鑄態(tài)Mg-9Zn-2Gd-1Y鎂合金進行了恒溫恒定壓縮速率的熱模擬壓縮試驗，并對樣品進行了XRD物相分析以及金相和掃描電子顯微（SEM）觀察。結果表明合金中的第二相為脆性相，在壓縮過程中會被破碎，而快速冷卻的合金在壓縮變形過程中會形成非均勻變形帶，導致組織變形不均勻，原有的層片狀共晶第二相被變形帶破碎為亞微米尺度的顆粒。分析表明該合金的枝晶和共晶結構容易導致非均勻變形。

Mg-Zn-RE合金；熱模擬；準晶相；變形

0 前言

鎂合金由于其密度低，比強度高的特點，在結構材料中有著重要的應用。近些年來，隨著鎂合金中準晶體的發(fā)現(xiàn)，鎂合金性能的提升潛力又得到了進一步的拓展。準晶體相是一種介于晶體相和非晶體相之間的新型物質組態(tài)，具有高硬度、高強度、低界面能等一系列常規(guī)晶體相所不具備的特點。鎂合金中的準晶相最早發(fā)現(xiàn)于Mg-Zn-Y合金系中，此后又有了進一步的發(fā)展和拓寬[1～2]。研究表明，大部分稀土元素都可以與鋅元素在鎂中發(fā)生反應，生成準晶體相，且準晶體相是穩(wěn)定相，并能夠在熱處理和熱變形等條件下發(fā)生分解和析出[3～5]。因此，通過熱處理和熱變形等工藝手段調控合金組織是可行的。但準晶體相在高溫下較為穩(wěn)定，一般的均勻化處理效果十分有限，且還容易發(fā)生過燒。所以我們需要通過新的熱處理工藝對合金中的準晶相進行分解和回溶，使基體中的合金元素達到過飽和，進而在之后熱變形和時效過程中得到更多細小彌散的準晶體相來強化合金。

1 實驗方法

實驗所用合金名義成分為Mg-9Zn-2Gd-1Y（質量分數(shù)，%）。熔煉方式為將純金屬元素加入鋼制坩堝中，在有SF6和氬氣保護的電磁感應爐中融化，經(jīng)過扒渣攪拌和過濾后，直接將坩堝拎出淬入水中冷卻凝固，標記為鑄錠A。另有一個鑄錠是使用鋼勺直接從坩堝中舀出，之后淬入水中得到，標記為鑄錠B。XRD分析、熱模擬壓縮、金相觀察以及SEM觀察都是從鑄錠的上部取樣。熱模擬壓縮實驗的樣品為Φ10mm×15mm的圓柱，鑄錠A的熱模擬壓縮的變形速率為0.01，鑄錠B為0.1，變形溫度均為350℃，壓下量為50%。壓縮后的樣品沿垂直于壓縮面的方向對半切開，觀察切開面的金相組織和SEM顯微組織。金相組織腐蝕劑為1g草酸、1mL硝酸、1mL乙酸和50mL水。

2 實驗結果與討論

圖1是兩個鑄錠的顯微金相組織。從圖中我們可以觀察出兩個鑄錠的金相組織差距十分明顯。鑄錠A的組織較為粗大，枝晶組織并不發(fā)達，但仍以枝晶殘留的柱狀晶為主，枝晶間距在40～50μm左右。合金中的第二相主要以層片狀共晶和片狀或塊狀的離異共晶分布在枝晶間和晶界等區(qū)域。鑄錠B的組織相較于鑄錠A則細小很多，且枝晶組織更為發(fā)達，能夠明顯觀察到大量的一次及二次枝晶，枝晶間距也更為細小，在15μm左右，第二相也仍然分布在枝晶間和晶界區(qū)域。這說明即便成分相同，該合金的凝固冷卻速度對于合金的組織也有著十分重要的影響。冷卻速度越快，合金的組織就越細小，第二相厚度也就越薄。這主要是因為合金在凝固過程中，過冷度越大，形核發(fā)生也就越頻繁，在較多晶粒形核并初步長大以后，合金凝固過程就已經(jīng)完成并冷卻，晶粒來不及長大，因此形成了較為細密的組織。而冷卻速度較慢，合金在凝固和冷卻過程中就容易發(fā)生晶粒的吞并和長大，從而減弱甚至消除枝晶組織，同時晶粒也會發(fā)生進一步的長大和粗化。

圖1 鑄態(tài)Mg-9Zn-2Gd-1Y合金金相照片

圖2 是兩個鑄錠的XRD衍射圖譜。經(jīng)過標定可以發(fā)現(xiàn)，兩個合金除了在組織方面有很大不同以外，在相組成方面也有較大的不同。合金A相組成更為復雜，不但有準晶體I相，還有面心立方結構的Mg-Zn-RE三元相W相。而合金B(yǎng)的相組成則相對簡單，僅有鎂基體相和準晶體I相。這可能是因為合金在凝固過程中的冷卻速度不同，導致溶質元素的溶解和偏析程度不同，進而導致合金相組成不同。準晶體相的形成是包晶反應，反應過程為液相加W相包晶生成I相。因此當冷卻速度較快時，合金的基體凝固速度也較快，含溶質元素較多的液相就被趕到了枝晶組織的邊緣和枝晶臂之間，包晶反應也就更容易發(fā)生，從而生成準晶體相。而當冷卻速度較慢時，晶粒和枝晶逐漸粗化，剩余的液相也有更充足的時間固溶進入基體中，導致包晶反應需要的液相和溶質元素不足，進而抑制包晶反應的進行，使得基體內殘存大量的W相。

圖2 鑄態(tài)Mg-9Zn-2Gd-1Y合金XRD圖譜及標定

為了研究合金的變形性能，對鑄態(tài)合金進行了直接的熱模擬壓縮實驗。兩合金的實驗參數(shù)原本為350℃，壓縮速率為0.1，但是合金A由于組織粗大，且其中含有W相導致其變形能力變差，在速率為0.1的壓縮條件下被壓潰導致變形不成功。因此，為保證合金A變形成功，壓縮速率降為0.01。壓縮后的金相照片如圖3所示。從照片中可以看出，兩合金的顯微組織均受到了不同程度的變形和壓縮，呈現(xiàn)出了明顯的鍛壓態(tài)組織，以合金A更為明顯。原本分布在枝晶間和晶界處的骨骼狀第二相被壓扁，破碎成較為細小的顆粒，但是總體分布還保持著原來連續(xù)的形貌。這說明準晶體相和W相是脆性相，在變形過程下不會發(fā)生塑性變形，而是發(fā)生斷裂和破碎，同時由于變形速度過快，含有W相的組織粗大的合金A發(fā)生了壓潰，說明合金的變形主要還是通過晶界滑移來協(xié)調，晶粒較粗會導致合金變形無法及時協(xié)調，導致變形失敗。

圖3 變形態(tài)Mg-9Zn-2Gd-1Y合金金相及SEM照片

合金B(yǎng)為快速冷卻合金，合金組織更加細密，晶粒尺寸和枝晶間距都更小，變形過程十分順利，樣品表面沒有裂紋，變形也均勻。觀察其金相樣品可以看到合金內部的變形是不均勻的。合金內呈現(xiàn)出了幾條明顯的劇烈變形區(qū)域，原本的枝晶組織和枝晶間第二相在劇烈的變形下被碾壓成細小的顆粒。從圖中可以發(fā)現(xiàn)主要的大變形帶的方向都和壓縮方向呈45°夾角左右，這是由于在壓縮變形過程中，該方向上的切應力最大，所以變形最先在這一方向上開動。同時，也能觀察到其他并不沿這一方向分布的變形帶，但是長度都不如大變形帶長。本人認為，這種變形帶的形成和該合金原始組織有著比較大的聯(lián)系。由于該合金原始組織為枝晶組織，枝晶臂和晶界之間分布著須狀共晶。當變形過程開始時，由于45°方向切應力最大，變形最有可能從該方向上開動。而此時如果有枝晶軸，即枝晶的主干平行于這一方向的話，由于主干內未有第二相進行強化，強度低，范圍廣，便容易形成最先變形的區(qū)域。當變形開動以后，該變形帶便開始擴展，由于沿其擴展方向上的第二相都為層片狀，阻擋能力有限，便在接下來的變形中被破碎，進而使得變形繼續(xù)進行，變形帶繼續(xù)擴展。擴展過程中，變形帶也會根據(jù)界面部分的強度不同而改變其擴展方向，使得變形帶并不是一條直線，而是一條折線。這種變形帶在合金中吸收了大部分的變形位移，導致合金其他部分的組織并未發(fā)生嚴重的變形和破碎。

3 結論

用常規(guī)鑄造方式制備了不同冷卻速率的鑄態(tài)Mg-9Zn-2Gd-1Y含準晶體合金。冷卻速度較快的合金，晶粒細小，組織更加細密，枝晶組織明顯。冷卻速度較慢的合金，組織粗大，枝晶組織不明顯。對兩合金樣品進行熱模擬壓縮變形實驗，冷速較慢的合金變性能力較差，僅能在較低變形速率下變形成功，變形組織呈明顯的壓縮組織。而冷速較快的合金變形能力強，但由于其組織細密，枝晶發(fā)達，變形過后合金內產(chǎn)生了較多非均勻變形帶吸收了變形。

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[2] Luo ZP，Zhang SQ. On the stable quasicrystals in slowly cooled Mg-Zn-Y alloys[J]. Scripta Metallurgica, 1994，32(9)∶1411

[3] Xu C，Zheng MY，Wu K. Effect of cooling rate on the microstructure evolution and mechanical properties of homogenized Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2013，559(1)∶ 364

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Effect of Thermal Deformation on Microstructure of Mg-9Zn-2Gd-1Y Alloy

JIN Cheng-long1, YUAN Jia-wei2
(1. Southwest Aluminum (Group) Co.,Ltd., Chongqing 401326; 2. General Research Institute for Non-ferrous Metals, Beijing 100081,China)

The as-cast Mg-9Zn-2Gd-1Y alloys prepared by different cooling speeds were compressed by hot compression simulation process. The specimens were investigated by optical micrograph, scanning electron microscope and X-ray diffraction. The results show that the second phase was mainly quasi-crystal phase, which was very brittle, which was crashed during compressing. It showed that dendritic crystal and eutectic structure of alloy would cause heterogeneous deformation.

Mg-Zn-RE alloy; hot compression simulation; quasi-crystal phase；deformation

TG146.22

A

1005-4898（2017）01-0044-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.09

金承龍（1980-），男，四川達州人，工程師。

2016-06-07