退火對軋制LA43M鎂鋰合金組織與性能的影響

王謙 張明玉閔光輝②

（①昌吉學(xué)院 昌吉 831100 ②山東大學(xué)材料學(xué)院 濟(jì)南 250014）

輕金屬及其合金在可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程中具有非常美好的前景，這需要增強(qiáng)節(jié)能和環(huán)境保護(hù)以及進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。在環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面，輕質(zhì)鎂（Mg）合金作為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的替代金屬備受關(guān)注，伴隨著對輕量化的需求不斷增加以減少燃料消耗和二氧化碳排放任務(wù)，鎂合金的密度是鋁的三分之二，是鋼的四分之一，對運(yùn)輸行業(yè)具有很大的吸引力。對輕質(zhì)材料的這種需求，一直以來都是航空航天工業(yè)面臨最為嚴(yán)重的問題。雖然鎂及鎂合金，它們具有高比強(qiáng)度、高比剛度，電磁屏蔽性能好和高鑄造性一系列的優(yōu)點(diǎn)，但同時存在兩個制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題，阻礙了它們作為未來潛在結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，這些缺陷是：相對低的強(qiáng)度和在室溫下有限的冷加工性，換言之，就是材料室溫狀態(tài)下塑性低的問題[1-3]。

Mg-Li合金是目前密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高比強(qiáng)度和良好塑性等特點(diǎn)，在航天航空、汽車、3C電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Mg-Li合金除了具備一般鎂合金的特性之外，還擁有自己獨(dú)特的性能，合金密度很低，是唯一低于鎂基體密度的鎂合金體系，甚至可以低于水的密度；隨著Li含量的增加，合金的結(jié)構(gòu)將發(fā)生由密排六方(HCP)轉(zhuǎn)為密排六方+體心立方再到體心立方(BCC)的轉(zhuǎn)變，可以改善合金的塑性成形性。但是現(xiàn)有的Mg-Li合金強(qiáng)度較低（σb＜200 MPa），嚴(yán)重制約其得到進(jìn)一步應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以LA43M合金為研究對象，通過改變其退火溫度，觀察其組織演變過程及性能變化規(guī)律[4-6]。

1 試驗(yàn)過程

1.1 合金的成分

試驗(yàn)合金為蘇州川茂金屬材料有限公司提供的LA43M鎂鋰合金軋制板材。合金成分如表1：

表1 LA43M的成分（%）

1.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)為消除LA43M合金在軋制過程中產(chǎn)生的加工硬化，Mg-Li合金在400℃以上易燃、易爆，同時在300℃以下具有優(yōu)良的塑性。綜合考慮，選擇的退火工藝為：分別選取180℃，200℃，220℃為退火溫度；在此基礎(chǔ)上確定退火時間為1.5h。研究不同退火溫度對LA43M合金微觀組織及宏觀性能的影響。

按照取樣、粗磨、拋光、浸蝕等步驟進(jìn)行金相試樣的制備。將切割制備好的金屬試樣在砂紙上進(jìn)行研磨處理，遵循從低倍數(shù)砂紙到高倍數(shù)砂紙的研磨過程，本實(shí)驗(yàn)對LA43M合金試樣粗磨從400目，到600目，再到800目；細(xì)磨過程從1200目開始，1500目，2000目，到3000目，完成對LA43M合金試樣的研磨過程。觀察其表面，沒有明顯劃痕的情況下在拋光機(jī)上對試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光至鏡面后，進(jìn)行腐蝕。本實(shí)驗(yàn)選取的腐蝕劑為體積分?jǐn)?shù)14%的磷酸溶液。采用X射線衍射儀（XRD）對不同狀態(tài)的合金進(jìn)行物相分析，掃描角度25°～80°，靶材為Cu靶，其掃描速度為0.1°/S。

保留LA43M合金金相試樣，經(jīng)過機(jī)械拋光至鏡面后，用吹風(fēng)機(jī)吹干，拿到顯微硬度計(jì)前，做顯微硬度實(shí)驗(yàn)，做好實(shí)驗(yàn)記錄。對每個試樣打七個測試點(diǎn)，確保每次打點(diǎn)在試樣不同位置，盡可能使測試點(diǎn)均勻分布，去掉每次測試的最高值和最低值，求平均值，該值可認(rèn)為是該組合金的顯微硬度。

對LA43M合金進(jìn)行機(jī)加工，加工成標(biāo)準(zhǔn)件，見圖1。在鋼研納克GNT100電子萬能拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)上對材料進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，測試其抗拉強(qiáng)度及斷裂延伸率，比較不同退火工藝對其塑性的影響機(jī)制。

圖1 加工標(biāo)準(zhǔn)式樣圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合金的顯微組織

圖2 LA43M鎂鋰合金的晶粒(a)軋制態(tài)(b)180℃(c)200℃(d)220℃

圖2 為LA43M合金的金相顯微組織，從圖2（a）中可以看出軋制LA43M鎂合金基體組織為等軸晶粒，原始晶粒粗大，最大晶粒尺寸超過50 μm，形狀不規(guī)則，晶界較細(xì)，平均晶粒尺寸為46.7μm，另外，晶粒分布沒有明顯的方向性，平衡相分布于晶界和基體上。經(jīng)180℃×1.5h退火后，晶粒尺寸變化不明顯，但晶界平衡相數(shù)目增多，大多富集于晶界處，平均晶粒尺寸為42.6 μm，晶界粗化，如圖2（b）所示。200℃×1.5h退火后，晶粒尺寸減小，平均尺寸為31.4μm，析出相的數(shù)目增多，可以看到在基體上存在較多二次相粒子，如圖2（c）所示。最后經(jīng)220℃×1.5h退火后，晶界變得更加清晰，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，平均晶粒尺寸為25.6μm，可以看到沿著軋制的方向，有再結(jié)晶的形成[7]。

由于軋制變形提供了較大的能量，因此合金在變形過程中發(fā)生了再結(jié)晶，使軋制態(tài)合金具有動態(tài)再結(jié)晶組織特點(diǎn)。但由于軋制過程進(jìn)行得很快，動態(tài)再結(jié)晶沒有完全進(jìn)行，導(dǎo)致晶粒尺寸較大，合金基體存在亞晶界，同時含有較高的形變儲存能。晶粒分布沒有明顯的方向性，表明軋制LA43M鎂-鋰合金將不存在明顯的各向異性。過冷度作為驅(qū)動力，決定了形核和再結(jié)晶過程，溫度和時間的不同會決定再結(jié)晶完成程度。經(jīng)過200℃×1.5h退火，LA43M鎂-鋰合金基體內(nèi)的儲存能得到釋放，亞境界逐漸形成完整晶界，使合金晶粒得到細(xì)化。同時在退火過程中，固溶在基體內(nèi)的合金化元素與基體形成化合物逐漸析出。隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶充分進(jìn)行，使晶粒進(jìn)一步細(xì)化[8]。

2.2 合金的XRD分析

對LA43M鎂鋰合金進(jìn)行了X射線衍射分析，并根據(jù)PDF卡片進(jìn)行了物相的標(biāo)定。

圖3 LA43M的XRD圖譜

如圖3所示，合金以（100）面和（101）面晶粒占主導(dǎo)，在該晶面上晶粒得到優(yōu)先生長，晶粒百分比增加。為了確定退火前后合金中物相的變化，對三種退火態(tài)的LA43M鎂-鋰合金進(jìn)行了X射線衍射分析。

圖4 不同退火下的XRD圖譜

從圖4中可知，不同溫度下的退火處理XRD圖譜未發(fā)生明顯變化，在經(jīng)過220℃×1.5h退火后的XRD圖譜中，有一些雜峰的特征衍射峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)，這說明，隨著退火溫度的升高，析出相對應(yīng)的衍射峰相對強(qiáng)度增加，析出相的數(shù)目增多。

2.3 合金的力學(xué)性能

2.3.1 顯微硬度

圖5 不同退火下的顯微硬度

根據(jù)金屬學(xué)理論，合金的主要強(qiáng)化方式主要有細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、加工硬化以及固溶強(qiáng)化[9]。經(jīng)過軋制變形后，LA43M鎂鋰合金保持較高的顯微硬度，這是由于在軋制的過程中發(fā)生了材料的加工硬化。經(jīng)過退火處理后，材料的顯微硬度增加，這是由于細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化共同作用的結(jié)果。從圖5中可知，經(jīng)過180℃×1.5h退火后，其硬度達(dá)到89.2HV，隨著退火溫度的升高，其顯微硬度呈現(xiàn)了降低的趨勢，這是由于升高溫度的時候發(fā)生了再結(jié)晶，材料晶粒尺寸降低，再結(jié)晶的過程是回復(fù)基體，消除形變的過程，所以經(jīng)220℃×1.5h退火后，硬度值降低，為81.4HV。

2.3.2 拉伸力學(xué)性能

圖6不同退火下的抗拉強(qiáng)度及延伸率

圖6 為LA43M合金在不同退火溫度下的抗拉強(qiáng)度及延伸率，在軋制后，LA43M鎂-鋰合金體現(xiàn)出了優(yōu)異的塑性，其伸長率達(dá)到21%；經(jīng)退火處理后，其強(qiáng)度增加，延伸率下降。

軋制過程提供了能量，使軋制態(tài)LA43M合金具有完全的動態(tài)再結(jié)晶組織，晶粒為等軸晶，大部分晶界為大角晶界，合金在變形過程中能夠有效地緩解應(yīng)力集中，抑制裂紋的擴(kuò)展，有利于獲得高的塑性。熱處理誘發(fā)了再結(jié)晶，細(xì)化了晶粒。晶粒尺寸的減小將會增加位錯運(yùn)動障礙的數(shù)目，降低位錯的可動性，使合金強(qiáng)度提高。根據(jù)霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式可得，晶體的平均直徑尺寸越細(xì)小，相對應(yīng)的，該合金的強(qiáng)度就越高。但與此同時，較高溫度的退火使得LA43M鎂鋰合金基體上析出二次相，這些析出相數(shù)目的增多，使合金的延伸率下降[10-11]。

3 結(jié)論

（1）軋制態(tài)LA43M鎂鋰合金體現(xiàn)出了良好的塑性和可變形性，其延伸率達(dá)到了21%；

（2）提高退火溫度，LA43M鎂-鋰合金晶粒細(xì)化，析出相數(shù)目增多，使合金強(qiáng)度提高;

（3）經(jīng)220℃×1.5h退火后，晶粒尺寸為25.6μm，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了206MPa。