Al對含有長周期有序堆垛結構Mg-Zn-Y-Mn合金組織和性能的影響

潘龍偉，張佳欣，宗喜梅，柳偉，張金山

（太原理工大學，山西太原 030024）

Al對含有長周期有序堆垛結構Mg-Zn-Y-Mn合金組織和性能的影響

潘龍偉，張佳欣，宗喜梅，柳偉，張金山

（太原理工大學，山西太原 030024）

采用常規(guī)鑄造方法制備了Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx(x=0,0.3,0.4,0.5）(a%)合金。利用光學顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和電子萬能試驗機等對合金的鑄態(tài)顯微組織及力學性能進行了全面的分析。結果顯示隨著Al含量的增加，晶粒逐漸細化，在鎂基體形成了一種新的Al(Y,Zn)2相，而長周期相隨著新相的增加逐漸減少，導致合金的力學性能得到顯著提高。當添加0.4 a%的Al時合金的抗拉強度達到最大值260 MPa,同時伸長率達到5.4%，與Mg94Zn2.5Y2.5Mn1相比分別提高了36%和12.5。隨著Al含量進一步增加，長周期相消失，性能惡化。

長周期鎂合金；基體原位自生強化相；微觀組織；力學性能

0 引言

鎂合金作為最輕的結構材料，具有密度低，比強度和比剛度高等優(yōu)點，因而有希望用于交通運輸領域提高能源利用效率，然而因為其強度低塑性差限制了鎂合金的廣泛應用[1,2]。

近年來，長周期有序堆垛結構Mg-Zn-RE合金因為其獨特的結構和優(yōu)良的性能受到了廣泛的關注。許多學者嘗試通過改變成分（RE/Zn原子比）去控制第二相的形態(tài)和體積分數(shù)來提高合金的力學性能。以Mg-Zn-Y合金為例，根據(jù)Zn/Y原子的不同，會出現(xiàn)三種不同的三元共晶相：W相（Mg3Zn3Y2）、I相（Mg3Zn6Y）、X相（Mg12YZn），其中I相和X相是位于晶界上的強化相。通過調(diào)節(jié)I/W或X/W體積分數(shù)比及各相形態(tài)，合金的性能得到了改善[4]。還有一些學者通過晶粒細化元素如Mn、 Zr、Ca、Sr、Ti起到細晶強化作用[5,6]。

迄今為止，關于鑄態(tài)Mg-Zn-Y系合金中對基體利用原位自生析出強化相的報道比較少。Tan X H等[7,8]在Mg-Zn-Y合金中加入Al元素在基體中生成了一種Mg-Zn-Y-Al四元化合物，提高了合金的抗腐蝕能力，但是這些研究都沒有涉及其對合金力學性能的影響。本文對此作了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了一種新的Al(Y,Zn)2三元強化相,該相對合金的組織和性能有顯著的影響。

1 實驗過程

合金熔煉選用的原材料為純Mg(99.99 w%)、純Y(99.99 w%)、純Zn(99.99 w%)、純Mn(99.99 w%)和純Al(99.99 w%)。合金設計成分為Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx(x=0,0.3,0.4,0.5）(a%)，分別標記為A,B,C,D。合金采用常規(guī)鑄造方法制備，熔煉在坩堝電阻爐中進行，熔煉保護氣體為氬氣，熔煉溫度為750 ℃，保溫20 min澆入提前預熱到200 ℃的金屬鑄型中凝固成試驗用鑄錠。

合金的物相成分分析采用Y-2000型X射線衍射儀，選用靶材為Cu靶，掃描速度0.02(°)／s，掃描范圍為20 °~80 °。不同合金相的組織和成分采用萊卡DM2500型OM和TESCAN-MIRA3型SEM觀察，采用SEM配備的OXFORD型EDS對合金相成分進行測定。

布氏硬度的測量使用HB-300測試機，加載載荷為62.5 MPa，時間為15 s。維氏硬度的測量使用HVS-1000A，加載載荷為1 000 g，時間為15 s。拉伸試驗在DNSl00型電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為0.2 mm/min。

2 結果及討論

2.1 合金微觀組織分析

圖1是鑄態(tài)合金A、B、C、D的金相照片。可以看出隨著Al含量的增加，顆粒體積分數(shù)也逐漸增加晶粒逐漸細化，基體中的Al(Y,Zn)2由彌散分布的顆粒狀相（圖1.b）逐漸變?yōu)槎虠U狀（圖1.c）最后變?yōu)閴K狀（圖1.d）。與此同時晶界上的18R-LPSO相逐漸變得細小且體積分數(shù)逐漸減少直至消失。

圖1 鑄態(tài)合金Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx的金相照片

圖2 是鑄態(tài)合金A,B,C,D的XRD圖譜，結果顯示四組合金都含有α-Mg 、W相和X相，添加合金元素Al以后出現(xiàn)了一種新的衍射峰， 隨著Al含量的增加，X相的衍射峰逐漸減弱。

圖3為合金C的掃描圖及能譜。結果表明灰色條狀相為X相（Mg12YZn，18R-LPSO），連續(xù)網(wǎng)狀的黑色相為W相(Mg3Zn3Y2)，這些都與XRD結果相符。顆粒狀和桿狀相通過EDS結果分析確定為Al(Y,Zn)2。

最近的一些研究結果表明一些 Al2RE 顆?？梢宰鳛?Mg 基體的異質(zhì)形核核心。Qiu 等采用模型計算認為 Al2Y 是 Mg 基體有效的細化劑，且通過在Mg-10Y 中加入 Al 的方法驗證了這一點。更重要的是，采用添加 Al細化的合金中晶粒的熱穩(wěn)定性明顯高于采用 Zr 細化的合金中晶粒的熱穩(wěn)定性，這可能會減小高溫下合金性能的降低程度[9]。

圖2 鑄態(tài)Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Al合金的XRD圖譜

圖3 鑄態(tài)Mg93.6Y2.5Zn2.5Mn1Al0.4的SEM及EDS圖

本實驗并未檢測到Al2Y 顆粒，原因是根據(jù)電負性理論，一種金屬間化合物形成與否的決定因素在于元素間的電負性差值。從表1可以看出Al/Y和Zn/Y之間的電負性差值基本相同，可以推斷最有可能形成的相是Al(Y,Zn)2，其過程是Al2Y顆粒在凝固外層吸附了低熔點的Zn，該顆粒在作為異質(zhì)形核核心的同時消耗了大量的Y、Zn元素導致LPSO相數(shù)量減少。

表1 各元素的電負性值

2.2 合金力學性能分析

表2為鑄態(tài)合金的室溫力學性能及宏觀硬度測試結果，隨著Al添加量的增加，合金宏觀硬度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，當a(Al)=0.4 %時，硬度達到最高。

表2 合金的鑄態(tài)室溫力學性能及硬度

圖4為鑄態(tài)Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx合金的室溫拉伸應力-應變曲線。隨著Al添加，合金的抗拉強度與延伸率都得到明顯提高：鑄態(tài)Mg93.6Zn2.5Y2.5Mn1Al0.4合金具有最優(yōu)的力學性能，極限抗拉強度（UTS）和伸長率（δ）分別達到260 MPa和5.4%，相比Mg-Zn-Y-Mn四元合金，UTS和δ分別提高了32%和12.5%。且隨著Al含量繼續(xù)增加，合金的UTS與延伸率均呈現(xiàn)降低的趨勢。因此，合金中Al的添加量必須限定在一定范圍內(nèi)。

圖4 鑄態(tài)MgZn2.5Y2.5Mn1Alx合金拉伸應力-應變曲線

合金力學性能的提高可以歸結為1以下因素。第一，根據(jù)Hall-Petch 公式可知，合金的屈服強度大小與其晶粒尺寸大小有很大的關系。式中，σs為合金的屈服強度；σ0反映晶了內(nèi)對屈服強度的影響，其數(shù)值相當于極大單晶的屈服強度；k反映晶界對屈服強度的影響，與晶界結構有關[10,11]。合金中添加Al元素后，晶粒得到細化，這是合金抗拉強度與延伸率都提高的原因之一。值得注意的是，k的值與晶體的滑移系數(shù)量有關，hcp金屬的k值比fcc和bcc金屬的都高，由于Mg是hcp結構，所以細化晶粒對Mg及其合金屈服強度的影響更為顯著。第二，合金的力學性能與第二相的形態(tài)數(shù)量和分布有密切關系，眾所周知，LPSO相是一種強韌相，能夠在合金塑性變形時阻礙位錯運動，承受晶粒載荷的轉(zhuǎn)移，一般LPSO相越多，合金的強度和塑性越高，W相是一種硬脆相，有較大的變形抗力，因此W相的存在會使合金強度和硬度增加，這也是一種第二相的強化作用。但由于W相比較粗大，又呈半連續(xù)網(wǎng)狀分布，所以不但強化作用有限，使強度和硬度提高不多，而且使塑性和韌性顯著降低。當W相的體積分數(shù)較小時會對合金起到一定的強化作用，隨著其含量的增加，W相開始變得粗大，在晶界處分布成連續(xù)網(wǎng)狀，對基體造成割裂作用，會降低合金的性能，對合金的變形尤其不利[12,13]。本實驗隨著Al(Y,Zn)2相的增加，W相減少，對合金的力學性能提高是有利的，LPSO相的體積分數(shù)減少并沒有降低合金的力學性能，說明基體上Al(Y,Zn)2相也起到了強化作用，原因是該相硬度大于基體，起到了釘扎位錯滑移阻礙晶粒變形的作用。

3 結語

本文研究了Al 對鑄態(tài)Mg94Zn2.5Y2.5Mn1合金微觀組織和力學性能的影響，得出以下結論：

(1)添加合金元素Al以后，鑄態(tài)Mg-Zn-Y-Mn-Al合金中除了原有的α-Mg相，X相（Mg12YZn），W相（Mg3Y2Zn3）以外，在基體上出現(xiàn)了一種新的Al(Y,Zn)2相，并且合金的微觀組織得到了細化，粗大的樹枝晶變得細小，當Al的加入量為0.4 a%時，細化效果最佳。

(2)實驗表明由于基體中Al吸附了部分Y、Zn元素，隨著Al含量的增加，LPSO相的體積分數(shù)減少，Al(Y,Zn)2相增多，二者呈現(xiàn)反向關系，通過改變Al的添加量可以調(diào)節(jié)LPSO/Al(Y,Zn)2比。

(3)由于合金元素Al的加入引起的細化效果與Al(Y,Zn)2相的析出，合金的抗拉強度與伸長率都得到提高。MgZn2.5Y2.5Mn1Al0.4合金的抗拉強度與延伸率分別達到260 MPa和5.4%，相比MgZn2.5Y2.5Mn1合金分別提高了36%和12.5%。

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Infl uence of Al addition on the microstructure and mechanical properties of Mg-Y-Zn-Mn alloy containing LPSO phases

PAN LongWei,ZHANG JiaXin,ZONG XiMei,LIU Wei,ZHANG JinShan
(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)

The infl uence of Al additions(0,0.3,0.4,0.5) on the microstructure and mechanical properties of ascast Mg94Zn2.5Y2.5Mn1(a%) alloys were investigated. Results showed that with the addition of Al,a new Al(Y,Zn)2phase formed within the matrix while the LPSO phase was reduce as the new phases increase,which resulted in the dramatic change of the mechanical properties and get a peak tensile strength of 260 MPa with an elongation of 5.4% when the Al addition was 0.4% .

LPSO strengthened magnesium alloy;in-situ particulate matrix composit;microstructures;mechan ical properties

TG146.22；

A；

1006-9658（2017）04-0015-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.004

國家自然科學基金項目(N os.50571073和51474153)；國家教育部博士點基金資助項目(20111402110004)；山西省科學基金(2009011028-3，2012011022-1)

2017-02-22

稿件編號:1702-1677

潘龍偉（1989—），男，在讀碩士，主要從事鎂合金的強韌化研究；通訊作者：張金山（1955—），男，教授，博士研究生導師，主要從事鎂鋁合金長周期及準晶與應用研究.