定向凝固下Mg-3Zn-Y合金組織和力學(xué)性能研究

胡延昆 李秋書 李建文 郭會玲

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

定向凝固下Mg-3Zn-Y合金組織和力學(xué)性能研究

胡延昆 李秋書 李建文 郭會玲

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

采用定向凝固工藝，在單一變量下分別對Mg-3Zn-Y合金在不同溫度梯度以及不同拉伸速度下顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著溫度梯度逐漸增大，柱狀晶更加粗大、均勻，方向性也更好；隨著凝固速度逐漸增大，柱狀晶平均寬度逐漸變窄，平均晶粒尺寸逐漸減小，晶粒分布的均勻性逐漸降低，晶粒生長的方向性、連續(xù)性也逐漸變差。提高溫度梯度、拉伸速度，均能改善合金力學(xué)性能。

Mg-3Zn-Y合金；定向凝固；顯微組織；力學(xué)性能

Mg-Zn合金作為研究較早的具有析出強(qiáng)化效果的鎂合金，其室溫力學(xué)性能顯著，又具有良好的耐磨性，廣泛用于家具裝飾、建筑材料以及汽車配件等[1-3]。目前對鎂鋅合金組織、性能的研究主要集中于熱處理，很少涉及定向凝固。然而定向凝固技術(shù)可以較好地控制晶粒取向，消除橫向晶界和改善晶間第二相形貌[4-5]，這為鎂鋅合金的組織、力學(xué)性能研究奠定了良好的理論基礎(chǔ)。稀土Y不僅可以對鎂合金進(jìn)行除雜凈化，熔體阻燃[6]，而且Y與合金化元素Zn可以形成穩(wěn)定的金屬間化合物，這些金屬間化合物熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好，以細(xì)小化合物狀態(tài)彌散分布于金屬基體中和晶界處，在高溫狀態(tài)下可以對晶界起釘扎作用，阻礙晶界、位錯(cuò)的移動(dòng)，形成沉淀強(qiáng)化鎂合金，很好地彌補(bǔ)了鎂合金高溫力學(xué)性能的不足[7-10]。因此，本文采用定向凝固工藝研究Mg-3Zn-Y合金的組織、力學(xué)性能，旨在為制備高強(qiáng)度鎂鋅合金提供理論依據(jù)和有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)原料為純鎂(99.9%)、純鋅(99.9%)和Mg-30%Y中間合金。實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分見表1。首先將鎂錠預(yù)熱到200℃，然后將其加入石墨坩堝(已提前預(yù)熱至紅熱)，用中頻感應(yīng)加熱爐繼續(xù)加熱至760℃，保溫8～10 min，待鎂錠完全熔化，降溫至700℃，加入已預(yù)熱好的鋅粒和鎂釔中間合金，攪拌3～5 min使其均勻分布于原熔體中。再加入覆蓋劑，防止鎂合金氧化，升溫至760℃，保溫5 min后停止加熱，待溫度降至720℃，加入RJ-2精煉劑，攪拌并扒渣，待金屬液表面光亮、干凈，靜置680℃，澆注于提前預(yù)熱至250℃的金屬模子中，制成直徑為8 mm、長度為150 mm的圓棒形Mg-3Zn-Y鑄態(tài)試樣。

表1 合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of alloy (Mass, %)

定向凝固技術(shù)采用的是溫度梯度較高的區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法(ZMLMC法)。本實(shí)驗(yàn)采用Bridgman型定向凝固設(shè)備，加熱系統(tǒng)為設(shè)備的核心，加熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)需將鑄態(tài)試樣棒表面加工光滑，放入不銹鋼坩堝中，然后固定在拉桿上，外面依次放上銅套加熱體(溫度高，導(dǎo)熱性好)、陶瓷保溫套(減少橫向散熱)，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，在感應(yīng)線圈加熱下進(jìn)行定向凝固實(shí)驗(yàn)。

1—不銹鋼管 2—熱電偶固定裝置 3—熱電偶 4—陶瓷保溫套 5—試樣棒 6—鋼套發(fā)熱體 7—區(qū)熔區(qū) 8—感應(yīng)銅線圈 9—陶瓷隔熱板 10—冷卻水 11—感應(yīng)銅線圈 12—拉伸裝置 13—進(jìn)水口 14—出水口圖1 定向凝固加熱系統(tǒng)簡圖Figure 1 The schematic of directional solidification heating system

試驗(yàn)完成后，取鑄態(tài)試樣和不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的定向凝固試樣，分別對其橫、縱截面進(jìn)行打磨、拋光，然后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕5～8 min，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。采用XRD衍射儀、掃描電鏡來分析合金的相組成與分布；在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，拉伸速率1.0 mm/min；采用數(shù)顯小負(fù)荷布氏硬度計(jì)(HBS-62.5型號)進(jìn)行硬度測試。

2 分析與討論

2.1 合金的相組成

圖2所示為Mg-3Zn-Y合金鑄態(tài)及定向凝固XRD衍射圖譜。由圖2可知，Mg-3Zn-Y合金組織主要由α-Mg基體與Mg3Zn6Y相組成。圖3所示為Mg-3Zn-Y合金SEM圖及EDS分析。由圖3可以看出，第二相以白色粒狀彌散分布于基體或晶界上，從能譜分析中可以看出所測位置的化學(xué) 成分中Mg∶Zn∶Y含量接近3∶6∶1，進(jìn)而證明了其為Mg3Zn6Y相。Zn和Y元素含量相對于Mg而言比較低，因此α-Mg相居多，Mg3Zn6Y相含量偏低。

圖2 鑄態(tài)和定向凝固Mg-3Zn-Y合金XRD圖譜Figure 2 XRD spectrum of as-cast and directional solidified Mg-3Zn-Y alloy

圖3 Mg-3Zn-Y合金SEM圖及EDS分析Figure 3 SEM images and EDS analysis of Mg-3Zn-Y alloy

2.2 定向凝固對合金顯微組織的影響

2.2.1 溫度梯度對合金顯微組織的影響

圖4所示為Mg-3Zn-Y合金拉伸速度在25 μm/s時(shí)不同溫度梯度下試樣縱截面的光學(xué)顯微組織。可以看出，當(dāng)拉伸速度為25 μm/s時(shí)，相比于70 K/cm的定向凝固組織，溫度梯度為100 K/cm的定向凝固組織柱狀晶更粗大、筆直、均勻，方向性也更好，柱狀生長趨勢更為明顯。

分析認(rèn)為：根據(jù)成分過冷理論[11]，在拉伸速度不變的情況下，溫度梯度增大，就可以使成分過冷區(qū)域減小，使定向凝固組織由胞狀生長向柱狀生長演變，從而形成均勻、穩(wěn)定的柱狀晶組織。

(a)70 K/cm (b)100 K/cm圖4 拉伸速度為25 μm/s時(shí)的光學(xué)顯微組織Figure 4 Optical microstructure at stretching rate of 25 μm/s

2.2.2 拉伸速度對合金顯微組織的影響

要獲得均勻、穩(wěn)定的柱狀晶組織，就必須保持在生長方向的平界面生長，平面生長的條件[12]如下：

式中，G為溫度梯度；R為凝固速度(拉伸速度)；m為液相線斜率；C0為合金的成分；D為溶質(zhì)元素在液相中的擴(kuò)散系數(shù)；K0為平衡分配系數(shù)。

從式(1)可以得出，在G和C0一定的條件下，凝固界面形態(tài)只取決于生長速度的大小，因此凝固速度是除溫度梯度外又一影響定向凝固組織的關(guān)鍵因素。

圖5所示為Mg-3Zn-Y合金在恒定溫度梯度100 K/cm，拉伸速度分別為10 μm/s、25 μm/s以及50 μm/s時(shí)的光學(xué)顯微組織?？梢钥闯?，圖5(a)為鑄態(tài)組織，呈花瓣?duì)畹牡容S枝晶分布。與圖5(a)相比，圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)的組織變化明顯，呈典型柱狀晶分布。再仔細(xì)對比發(fā)現(xiàn)，柱狀晶組織無論是在晶粒尺寸、晶粒生長方向、晶粒的分布，還是晶界的連續(xù)性都出現(xiàn)了一定的差別。

有大量實(shí)驗(yàn)研究表明[13-14]，隨著固液界面前方成分過冷區(qū)的變寬，晶體生長方式由平面生長逐步轉(zhuǎn)換為胞狀生長，然后再過度到枝晶生長。當(dāng)拉伸速度為10 μm/s時(shí)，由于固液界面前方成分過冷區(qū)相對較窄，界面接近于平面生長，所以組織呈現(xiàn)出寬大的柱狀枝晶，如圖5(b)所示。當(dāng)拉伸速度增加到25 μm/s時(shí)，成分過冷區(qū)相對變寬，主干在生長過程中會在其前端分裂出二次枝晶，柱狀晶生長出現(xiàn)不連續(xù)、不均勻性，如圖5(c)所示，枝晶的寬度相對圖5(b)來說變細(xì)。當(dāng)拉伸速度提高到50 μm/s時(shí)，成分過冷區(qū)也更寬，二次枝晶會在其生長過程中演變長出三次枝晶，枝晶的生長為“限制型生長”，形成陣列枝晶，如圖5(d)所示，枝晶的寬度較圖5(b)、圖5(c)來說更細(xì)，晶界不再筆直延伸生長，出現(xiàn)了彎曲形態(tài)，晶體的連續(xù)性也變得更差。綜上所述，隨著拉伸速度的逐漸增大，定向凝固組織晶體平均寬度逐漸變窄，晶粒尺寸逐漸減小，晶粒分布的均勻性逐漸降低，晶粒生長方向與主軸逐漸有所偏離，晶體的連續(xù)性也逐漸變差。

(a)鑄態(tài) (b)10 μm/s (c)25 μm/s (d)50 μm/s圖5 不同拉伸速度下縱向光學(xué)金相顯微組織Figure 5 Longitudinal optical metallographic microstructure at different stretching rates

2.3 定向凝固對合金力學(xué)性能的影響

2.3.1 定向凝固對合金拉伸性能的影響

定向凝固技術(shù)通過建立特定方向的溫度梯度，很好地控制了晶體取向，消除了橫向晶界，理論上可以使鑄件獲得優(yōu)秀的縱向力學(xué)性能。

圖6所示為Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度以及不同溫度梯度下的拉伸性能。從圖6可以明顯看出，當(dāng)拉伸速度一定，隨著溫度梯度的增大，抗拉強(qiáng)度和伸長率都呈現(xiàn)出增大的趨勢。通過對比可知，高溫度梯度下的抗拉強(qiáng)度較低溫度梯度下的抗拉強(qiáng)度提高了約9.3%，伸長率提高了約15.0%；當(dāng)溫度梯度一定，隨著拉伸速度的增大，抗拉強(qiáng)度和伸長率也都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當(dāng)拉伸速度達(dá)到50 μm/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到245.0 MPa，相比鑄態(tài)合金，提高了35.7%，伸長率達(dá)到了13.7%，比鑄態(tài)合金提高了53.9%。

圖6 Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度 以及不同溫度梯度下的拉伸性能Figure 6 Tensile property of Mg-3Zn-Y alloy at different stretching rates and temperature gradients

由式(1)可知，柱狀晶生長過程中只有在高的G/R比值條件下柱狀晶的實(shí)際生長方向和柱晶的理論生長方向才越接近，否則晶體生長會偏離軸向排列方向。另外，由上述顯微組織分析可知，G/R比值通過影響合金組織進(jìn)而影響合金力學(xué)性能。一方面通過定向凝固，組織生長的方向與拉伸方向有了較好的切合，晶粒由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?，消除了橫向晶界的影響，減少了集中應(yīng)力，從而合金拉伸性能明顯提高。另一方面是晶粒大小的影響。當(dāng)凝固速度為50 μm/s，柱狀晶的組織寬度變窄，最為致密細(xì)小，這與晶粒細(xì)化能提高合金強(qiáng)度的理論相一致[15]。此外，從圖5可以看出，隨著凝固速率的增大，第二相分布逐漸增多，也更為均勻，彌散強(qiáng)化作用使合金材料拉伸性能進(jìn)一步提高[16]。

2.3.2 定向凝固對合金硬度的影響

圖7所示為Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度以及不同溫度梯度下的合金硬度變化曲線。從圖7可以明顯看出，當(dāng)拉伸速度一定，隨著溫度梯度的增大，合金硬度都呈現(xiàn)增大趨勢，高溫度梯度下的合金硬度較低溫度梯度下的合金硬度提高了約11.3%；當(dāng)溫度梯度一定，隨拉伸速度的增大，合金硬度也都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當(dāng)拉伸速度達(dá)到50 μm/s時(shí)，合金硬度達(dá)到71.1HV，相比鑄態(tài)合金提高了25%。

圖7 Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度 以及不同溫度梯度下的合金硬度Figure 7 Hardness of Mg-3Zn-Y alloy at different stretching rates and temperature gradients

研究表明，合金材料的硬度與強(qiáng)度在一定程度上呈現(xiàn)正相關(guān)，即高硬度與高強(qiáng)度相對應(yīng)，低硬度與低強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)[17]。硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。因此，影響合金材料抗拉強(qiáng)度的因素必然影響合金材料的硬度。合金硬度的提高，這歸因于組織生長形態(tài)、晶體組織的細(xì)化以及第二相的彌散強(qiáng)化作用。

3 結(jié)論

(1)Mg-3Zn-Y合金組織主要由α-Mg與Mg3Zn6Y相組成，基體相呈花瓣?duì)畹牡容S枝晶，第二相以白色粒狀彌散分布于基體或晶界上。

(2)拉伸速度恒定，隨著溫度梯度的增大，柱狀晶更粗大、均勻，方向性也更好；溫度梯度恒定，隨著拉伸速度的逐漸增大，柱狀晶平均寬度逐漸變窄，晶粒尺寸逐漸減小，晶粒分布的均勻性逐漸降低，晶粒生長的方向性、連續(xù)性也逐漸變差。

(3)提高溫度梯度、拉伸速度，均能改善合金力學(xué)性能。當(dāng)溫度梯度為100 K/cm，拉伸速度為50 μm/s時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度最大分別為245.0 MPa、13.7%、71.1HV，相比鑄態(tài)合金分別提高了35.7%、53.9%、25%。

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編輯 杜青泉

Research on Structure of Mg-3Zn-Y Alloy and Mechanical Property under Directional Solidification

HuYankun，LiQiushu，LiJianwen，GuoHuiling

By using directional solidification process, under a circumstance of single variable, the microstructure and the mechanical property of Mg-3Zn-Y alloy was investigated under different temperature gradients and different stretching speed. The result indicates that with the increase of temperature gradient, the columnar crystal is coaser, more uniform and better directivity. As the solidification rate increasing, the average width of columnar crystal gradually narrows down, the grain size gradually decreases, the uniformity of the grain distribution gradually decreases, the growth direction and continuity of grain gradually deteriorate. Both by increasing the temperature gradient and the stretching rate can improve the mechanical property of the alloy.

Mg-3Zn-Y alloy, directional solidification, microstructure, mechanical property

TG146.2+2

A

2017—03—09

晉城市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.201501004-13)；山西省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2016BY137)

胡延昆(1990—)，男，碩士，當(dāng)前研究課題為定向凝固下鎂合金導(dǎo)熱性能的研究，研究方向?yàn)檩p質(zhì)高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料。