Mg-10Al₂Nd中間合金制備及晶粒細(xì)化效果研究

王雷 馮義成 趙思聰 郭二軍 陳彥宏 王麗萍

摘 要：采用光學(xué)顯微鏡（OM），掃描電子顯微鏡（SEM），X射線衍射分析（XRD）等試驗方法研究了Mg-10Al2Nd中間合金對Mg-3Nd合金的晶粒細(xì)化行為。研究結(jié)果表明：Mg-10Al2Nd中間合金由α-Mg基體和Al2Nd顆粒組成，添加Mg-10Al2Nd中間合金可以細(xì)化Mg-3Nd合金，并且隨著中間合金含量增加細(xì)化效果增強(qiáng)，添加20%的Mg-10Al2Nd中間合金可使Mg-3Nd合金晶粒尺寸從1242±135 μm細(xì)化至173±19 μm。晶粒細(xì)化的機(jī)理是溶質(zhì)效應(yīng)與Al2Nd的異質(zhì)形核協(xié)同作用。

關(guān)鍵詞：Mg-3Nd合金;晶粒細(xì)化;顯微組織;異質(zhì)形核

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.002

中圖分類號： TG146.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0007-06

Abstract：In this study， the grain refinement behavior of Mg-10Al2Nd master alloy to Mg-3Nd alloy was studied by optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and X-ray diffraction （XRD）. The experimental results showed that Mg-10Al2Nd master alloy is composed of α-Mg and particle Al2Nd phases. The addition of Mg-10Al2Nd master alloy can refine Mg-3Nd alloy， and the refining effect is enhanced as the content of Mg-10Al2Nd increases. By adding 20% Mg-10Al2Nd， the grain size of Mg-3Nd alloy was refined from 1242±135 μm to 173±19 μm. The mechanism of grain refinement is the synergistic effect of solute effect and heterogeneous nucleation of Al2Nd.

Keywords：Mg-3Nd alloy; grain refinement; microstructure; heterogeneous nucleation

0 引 言

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，在航空航天、汽車交通、電子通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[1]。相比于傳統(tǒng)的AZ系（Mg-Al-Zn系）、AM系（Mg-Al-Mn系）商用鎂合金，Mg-RE（稀土元素）系合金具有高的室溫強(qiáng)度和高溫抗蠕變性能[2，3]，但大量的RE添加導(dǎo)致合金成本急劇增加，難以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，相比之下RE含量較低的Mg-Nd系合金，由于相對較低的成本而備受青睞，如ZM6（Mg-3Nd-0.2Zn-Zr）合金已獲得工業(yè)應(yīng)用[4]。

眾所周知，細(xì)化晶?？娠@著提高和改善鎂合金力學(xué)性能。工業(yè)生產(chǎn)中Mg-RE合金通過添加Mg-Zr中間合金進(jìn)行晶粒細(xì)化[5]，但Zr細(xì)化存在成本高和利用低的缺點(diǎn)。為了開發(fā)新的Mg-RE合金晶粒細(xì)化方法，廣大科技工作者展開了大量研究[6-8]，其中Qiu等[9]研究發(fā)現(xiàn)添加Al能夠細(xì)化Mg-Y合金，并揭示了Al細(xì)化的機(jī)理是Al與Y反應(yīng)原位生產(chǎn)的Al2Y顆?？梢宰鳛殒V的形核顆粒。隨后的大量研究證實[10-14]，添加Al能夠細(xì)化大部分Mg-RE（Gd、Y、Sm、Nd、Ce）合金，其細(xì)化效果可與Zr細(xì)化相媲美。雖然添加Al能夠細(xì)化Mg-RE合金，但細(xì)化效果受RE種類和含量影響，使得Al細(xì)化不具有普遍應(yīng)用性。加入細(xì)化劑能夠直接將形核質(zhì)點(diǎn)引入到熔體當(dāng)中，其細(xì)化效果不受合金成分影響[15]，因此能否開發(fā)一種含有Al2RE的中間合金細(xì)化劑，以外加的方式引入形核顆粒，對于這一細(xì)化方式的推廣具有重要意義，但遺憾的是相關(guān)的研究并未得到重視。為此本文設(shè)計制備了一種含有Al2Nd顆粒的Mg-10Al2Nd中間合金細(xì)化劑，研究了細(xì)化劑對Mg-3Nd合金的細(xì)化效果，研究結(jié)果有望為開發(fā)鎂合金晶粒細(xì)化劑提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

制備Mg-10Al2Nd中間合金（本文所述合金成分均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）的原材料包括：純Mg錠（≥99.9%），Mg-30Nd中間合金，純Al錠（≥99.9%）。熔煉在井式電阻爐中進(jìn)行，首先在720℃下融化純Mg錠，隨后添加Mg-30Nd中間合金和純Al，熔體經(jīng)攪拌后在750℃保溫30 min，澆注到型腔尺寸為Φ60 mm×90 mm的金屬模具中得到中間合金錠。中間合金錠在450℃保溫10 h后進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度420℃，擠壓比9，得到Mg-10Al2Nd中間合金，使用ICP-6300型光譜儀測定中間合金化學(xué)成分，其實際化學(xué)成分為Mg-7.11%Nd-6.17%Al。

將Mg-10Al2Nd中間合金用于Mg-3Nd合金的細(xì)化處理，Mg-10Al2Nd中間合金加入量分別為：0%（NA30）、2.5%（NA3025）、5%（NA305）、10%（NA310）、15%（NA315）和20%（NA320） （Al2Nd的添加量分別為：0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%和2%）。Mg-3Nd合金由純Mg錠和Mg-30Nd中間合金熔煉而成，在750℃時加入Mg-10Al2Nd中間合金保溫10 min后攪拌溶體2 min，之后在750℃保溫10 min，澆注到型腔尺寸為Φ20 mm×90 mm的金屬模具中，模具預(yù)熱溫度為200℃。

金相試樣經(jīng)拋磨和拋光后，使用腐蝕劑（配比：10 g苦味酸+120 mL蒸餾水+15 mL乙酸+120 mL乙醇）侵蝕，使用XD30M型光學(xué)顯微鏡在偏光模式下觀察顯微組織，通過線性截距法測量平均晶粒尺寸。使用Quanta 200型掃描電子顯微鏡進(jìn)行第二相微觀形貌分析，并利用掃描電鏡附帶的能譜儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)成分分析，采用計點(diǎn)法測量Al2Nd顆粒的數(shù)量密度。使用X′Pert PRO型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，Cu靶，掃描速度20/min，掃描角度10°～90°。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 Mg-10Al2Nd中間合金組織

圖1為Mg-10Al2Nd中間合金的XRD譜，由圖1可以看出，中間合金由α-Mg和Al2Nd兩相組成。圖2為Mg-10Al2Nd中間合金SEM照片，由圖2（a）可以看出，中間合金基體中分布著大量的顆粒相，顆粒相的數(shù)量密度為3.285×103 pcs/mm2，EDS分析表明這些顆粒相中同時含有Al和Nd兩種元素（如圖2（b）所示），結(jié)合XRD結(jié)果，可以確定這些顆粒相為Al2Nd相。圖3為Mg-10Al2Nd中間合金中Al2Nd顆粒的尺寸分布，可以看出Al2Nd顆粒尺寸分布在1～26 μm之間，其中大部分顆粒尺寸在3～12 μm之間（約87%），Al2Nd顆粒平均尺寸為8.23 μm。

經(jīng)測試Mg-10Al2Nd中間合金中Nd和Al的實際含量分別為7.11%和6.20%，按照所有的Nd完全生成Al2Nd計算，7.11%的Nd可以消耗2.67%的Al，中間合金中Al2Nd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.78%，同時剩余3.50%的Al，因此Mg-10Al2Nd中間合金中Al2Nd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%，同時該合金中固溶有3.5%的Al元素。

2.2 Mg-10Al2Nd中間合金對Mg-3Nd合金組織影響

圖4為不同Mg-10Al2Nd中間合金加入量的Mg-3Nd合金的OM照片，圖5為合金平均晶粒尺寸隨Mg-10Al2Nd中間合金加入量變化的曲線圖。

3 討 論

基于以上研究可知，添加Mg-10Al2Nd中間合金可以顯著細(xì)化Mg-3Nd合金，中間合金添加量達(dá)到20%的NA320合金細(xì)化效果最佳，下面以NA320合金為例，討論添加晶粒細(xì)化的原因。如之前所述Mg-10Al2Nd中間合金中，除了含有10%的Al2Nd顆粒以外還含有3.5%的Al元素，在Mg-3Nd合金中添加20%的Mg-10Al2Nd中間合金，相當(dāng)于同時添加了2%的Al2Nd顆粒和0.7%的Al元素。首先，Al2Nd相與α-Mg之間的界面能為0.058 J/m2[9]，小于2%，處于完全潤濕狀態(tài)，Al2Nd可以充當(dāng)α-Mg的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)[13，16]，添加Mg-Al2Nd中間合金后組織中存在Al2Nd顆粒（如圖7（f）所示），這說明中間合金中Al2Nd顆粒沒有溶解，這些未溶解的Al2Nd顆粒可以作為形核質(zhì)點(diǎn)細(xì)化晶粒。其次，添加溶質(zhì)元素Al能夠增加成分過冷的程度[17-18]，限制晶粒長大，細(xì)化組織，因此添加Al也能細(xì)化Mg-3Nd合金組織。本文制備了一種Mg-3Nd-0.7Al合金，用于對比研究Al2Nd和Al元素的細(xì)化作用，圖9為Mg-3Nd-0.7Al合金的OM照片，其晶粒尺寸為901±85 μm，略小于NA30合金（1242±135 μm），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NA320合金（173±19 μm），因此，NA320合金中Al2Nd顆粒的異質(zhì)形核作用是合金得到細(xì)化的主要原因。

據(jù)文[16]報道，在Mg-3Nd合金中添加3%的Al元素后，原位生成的Al2Nd形核顆粒能夠?qū)⒑辖鹁Я３叽缬? 247 μm減小到48 μm，細(xì)化效率為96%，而本試驗中外加2%的Al2Nd顆?？蓪g-3Nd合金晶粒尺寸由1 242 μm減小到173 μm，細(xì)化效率為86%?？梢娡饧覣l2Nd顆粒的細(xì)化效率低于原位生成的。存在異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)的合金中，形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量密度是決定細(xì)化效率的關(guān)鍵因素，NA320合金中可能充當(dāng)形核質(zhì)點(diǎn)的Al2Nd顆粒的數(shù)量密度為153 pcs/mm2（位于晶粒內(nèi)部的），而在Mg-3Nd-3Al合金[16]中原位生成的Al2Nd顆粒的數(shù)量密度為371 pcs/mm2，外加的形核顆粒數(shù)量密度遠(yuǎn)低于原位生成的，這是細(xì)化效率較低的主要原因。

圖9 Mg-3Nd-0.7Al合金光學(xué)顯微照片

Fig.9 Optical microstructure of Mg-3Nd-0.7Al alloy

按照所有外加Al2Nd顆粒都可充當(dāng)形核質(zhì)點(diǎn)計算，NA320合金中Al2Nd顆粒的數(shù)量密度能夠達(dá)到1.057×103 pcs/mm2，而實際Al2Nd顆粒的數(shù)量密度為153 pcs/mm2，僅為所加總數(shù)的14.5%，也就是說，在NA320合金中引入的Al2Nd顆粒中只有14.5%充當(dāng)了形核質(zhì)點(diǎn)，其余85.5%均是無效的。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是多方面的，首先，Al2Nd自身的密度較大（5.14 g/cm3）[9]，遠(yuǎn)大于Mg的密度（1.74 g/cm3），因此熔煉過程中易發(fā)生沉降;其次，中間合金中較大尺寸的Al2Nd顆粒和存在偏聚的Al2Nd顆粒由于自身重量較大，更容易在熔煉過程中發(fā)生沉降;再次，熔煉過程中的保溫和攪拌工藝也會對熔體中Al2Nd顆粒的分布產(chǎn)生影響，影響細(xì)化效率，因此，如何獲得Al2Nd顆粒尺寸適中、均勻分布的中間合金和優(yōu)化熔煉工藝，以減少形核顆粒的沉降，是提高外加Al2Nd形核顆粒細(xì)化效率的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

1）Mg-10Al2Nd中間合金主要由α-Mg和顆粒狀A(yù)l2Nd相組成，顆粒狀A(yù)l2Nd相數(shù)量密度為3.285×103 pcs/mm2，尺寸分布在1～26 μm之間，平均顆粒尺寸為8.23 μm;

2）添加Mg-10Al2Nd中間合金可以細(xì)化Mg-3Nd合金，隨著中間合金含量增加Mg-3Nd合金晶粒尺寸減小，中間合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時細(xì)化效果最佳，平均晶粒尺寸為173±19 μm;

3）晶粒細(xì)化的原因是Al2Nd顆粒異質(zhì)形核與溶質(zhì)效應(yīng)協(xié)同作用。其中Al2Nd顆粒異質(zhì)形核是晶粒細(xì)化的主要因素。

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（編輯：溫澤宇）