熱處理對耐高溫鎂合金VW63Z組織和性能的影響

王勝龍 郭曉琳 王志敏 東 棟 周小京 吳 凱

熱處理對耐高溫鎂合金VW63Z組織和性能的影響

王勝龍 郭曉琳 王志敏 東 棟 周小京 吳 凱

（北京航星機器制造有限公司，北京 100013）

為確定耐高溫鎂合金VW63Z最優(yōu)的熱處理制度，對鍛態(tài)合金進行了不同溫度和時間的固溶處理和時效處理，利用光學顯微鏡觀察了合金的顯微組織，并利用顯微硬度計測試了合金的顯微硬度。結果表明，耐高溫鎂合金VW63Z原始態(tài)組織由Mg基固溶體和呈現(xiàn)出條狀有序結構的第二相組織兩部分組成，合金最優(yōu)的固溶溫度和時間為520℃、20h，組織為彌散分布的不連續(xù)塊狀組織，第二相均勻，性能優(yōu)良，合金最優(yōu)的時效溫度和時間為200℃、96h，組織中無析出相，顯微硬度最高。

VW63Z鎂合金；固溶；時效；顯微組織；顯微硬度

1 引言

在鎂合金加入稀土元素可起到細化晶粒的作用，減少疏松等冶金缺陷，提高合金鑄造和焊接性能，同時有益于鎂合金的耐熱性能，顯著提高其高溫強度及抗蠕變性能，降低熱裂傾向和應力腐蝕傾向[1]。稀土鎂合金中比較常見的稀土元素有Gd和Y元素，Gd、Y與Mg同是密排六方結構，研究表明，Gd可以提高鎂合金耐高溫性能[2]，增加Y含量能增強鎂合金時效硬化，提高拉伸強度[3]。Gd、Y元素在鎂合金中的最大固溶度分別可達23.5%、12.4%（質(zhì)量分數(shù)），固溶強化作用明顯。在Mg-Gd-Y系合金中可形成Mg24Y、Mg5Gd等相，在高溫條件下難以分解，是較為理想的析出強化相，能顯著提高鎂合金的高溫性能[4]。作為一種可熱處理強化的合金，Mg-Gd-Y系鎂合金主要是通過固溶+時效的熱處理手段提升材料性能。經(jīng)固溶處理后能形成均勻分布的過飽和固溶體，同時消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應力，使合金發(fā)生再結晶，后經(jīng)人工時效，過飽和固溶體分解，合金元素最終彌散分布于鎂合金基體中，進而形成沉淀相，該沉淀相可起到阻止晶界和位錯運動的作用，從而達到提升合金材料強度的目的，但會降低材料的加工塑性。

向軍軍等人[5]研究了Gd元素對Mg-Gd-Y-Zr鎂合金熱處理性能的影響，表明在固溶后的鎂合金材料中，Gd元素含量的增加可一定程度地減小合金的晶粒尺寸，其抗拉強度提高了19.6%，屈服強度提高了24.9%，延伸率由7%降為6.7%。黃麗華等人[6]通過研究熱處理對Mg-1Gd-5Y-2Nd-0.5Zr鎂合金（WE53）組織與力學性能的影響，表明該合金的強度和硬度對固溶處理并不敏感，僅分別提高10%和5.6%，但經(jīng)固溶處理后，合金伸長率得到明顯提高；經(jīng)固溶和時效處理后，合金的強度與硬度分別提高了51%和42%，但伸長率明顯降低。常森[7]對擠壓態(tài)Mg-11Gd-2Y-0.4Zr鎂合金進行了不同制度的固溶和時效處理，并對該合金各狀態(tài)的微觀組織和硬度進行分析，最終確定該鎂合金的最優(yōu)固溶溫度和時間為510℃、24h，最優(yōu)時效溫度和時效時間為225℃、18h。童炎等人[8]對Mg-13Gd-3Y-0.4Zr（GW133K）鎂合金的熱處理工藝進行了優(yōu)化，并測試其力學性能，得到最佳熱處理工藝為525℃、16h固溶+225℃、24h時效。本研究基于前人的研究成果，結合VW63Z鎂合金材料特性，研究了不同固溶+時效處理制度下合金的顯微組織和力學性能，最終確定了VW63Z鎂合金最優(yōu)的固溶、時效制度。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

合金成分設計為Mg-6Gd-3Y-0.6Zr，鍛態(tài)棒料直徑19mm，已均勻化處理。將棒料線切為10mm×10mm×10mm的試樣進行實驗。

2.2 實驗方法

a. 對原始態(tài)試樣進行顯微組織觀察和顯微硬度測試；

b. 固溶處理：將試樣分別隨爐加熱至500℃、520℃、530℃，在每個溫度下分別保溫5h、10h、15h、20h，然后用40℃溫水淬火。對固溶處理后的各個試樣進行顯微組織觀察，根據(jù)組織觀察結果選出最優(yōu)的固溶方案；

c. 時效處理：以最優(yōu)固溶處理方案進行固溶處理，然后在200℃、225℃、250℃溫度條件下分別進行48h、96h的人工時效處理，對時效后的試樣進行組織觀察，并測試實驗材料硬度，根據(jù)結果選出最優(yōu)的時效處理方案。

試樣采用SX2-2.5-12箱式電阻爐進行固溶和時效處理。試樣經(jīng)研磨、拋光后，用溶液進行腐蝕，腐蝕液成分如下：1%硝酸、19%水、20%冰醋酸和60%乙二醇，腐蝕時間為30s，然后用酒精清洗試樣的腐蝕表面，經(jīng)吹風機吹干后，采用Neophot-2型光學顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察分析，檢驗標準為GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》。試樣采用401MVD型顯微硬度計進行顯微硬度測試，壓頭為25g，保壓15s。每個試樣經(jīng)研磨、拋光后，取3個部位進行測試（在試樣邊緣部位測試時，需先進行鑲嵌，經(jīng)研磨、拋光后才可進行測量），最終硬度取其平均值。

3 結果與討論

3.1 耐高溫鎂合金VW63Z原始態(tài)顯微組織分析

圖1 耐高溫鎂合金VW63Z原始態(tài)顯微組織

圖1為擠壓態(tài)耐高溫鎂合金VW63Z在不同倍數(shù)光學顯微鏡下未經(jīng)過熱處理的原始態(tài)顯微組織，可以看出耐高溫鎂合金VW63Z由Mg基固溶體和第二相組織兩部分構成。經(jīng)分析，該析出相主要是由Mg-Gd、Mg-Y組成的二元相以及具有化學和結構相似性的稀土元素間互相取代而形成的多元金屬間化合物，主要為Mg5Gd、Mg12ZnY和Mg24Y5。由圖1還可以明顯看出，第二相呈現(xiàn)出條狀的有序結構，具有一定的方向性。據(jù)相關研究表明在Mg-Gd-Y系鎂合金中添加適量Zn元素不僅能調(diào)控材料的時效析出相，還能形成新相[3]。但是Zn元素的添加會同時降低Gd、Y元素在合金基體中的固溶度，導致形成Mg12ZnY相和新的條狀結構。這些條狀結構與α-Mg基體晶格結構有特殊的方向關系，因此呈現(xiàn)出一定的方向性。

3.2 耐高溫鎂合金VW63Z固溶處理后顯微組織分析

圖2～圖4顯示的是耐高溫鎂合金VW63Z經(jīng)過不同溫度和時間固溶處理后的顯微組織。

圖2 500℃不同時間固溶顯微組織

圖2顯示的是耐高溫鎂合金VW63Z在500℃下保溫不同時間固溶處理后的顯微組織。相比原始態(tài)，第二相尺寸略有增大，顯微組織變化并不明顯，可見該固溶處理制度條件下效果不明顯。

圖3 520℃不同時間固溶顯微組織

圖3顯示的是耐高溫鎂合金VW63Z在520℃下保溫不同時間固溶處理后的顯微組織。相比原始態(tài)，組織變化明顯。從圖3中可看出，第二相比例顯著降低，由原來的連續(xù)粗條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)細條狀或者不連續(xù)塊狀，力學性能較原始態(tài)也得到一定程度地改善。在固溶溫度520℃下保溫20h的組織為彌散分布的不連續(xù)塊狀組織，與同組其他時間的析出顯微組織相比，第二相更加均勻，相比原始態(tài)組織，已無粗大的條狀組織，各項性能明顯優(yōu)于同組其他試樣。

圖4 530℃不同時間固溶顯微組織

圖4顯示的是耐高溫鎂合金VW63Z在固溶溫度530℃下保溫不同時間固溶處理后的顯微組織，與原始態(tài)的顯微組織相比，組織發(fā)生很明顯的改變。在固溶溫度530℃下保溫5h和20h晶粒發(fā)生粗化，與其他固溶制度下的合金組織存在明顯差異，這可能是由于爐溫產(chǎn)生誤差導致材料發(fā)生了氧化。同組的其他兩個時間的顯微組織與原始態(tài)相比，第二相尺寸有所增大。

綜上分析以上3組不同固溶溫度和時間下試樣的顯微組織圖可看出，相比原始態(tài)組織，材料在500℃條件下的固溶組織幾乎無變化，可見該制度下固溶處理效果并不明顯；然而，材料在520℃條件下固溶時，第二相比例顯著降低，組織由原來的連續(xù)粗條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)細條狀或者不連續(xù)的塊狀；530℃的固溶組織第二相顯微組織與原始態(tài)相比尺寸有所增大；在固溶溫度520℃下保溫20h的組織為彌散分布的不連續(xù)塊狀組織，比同組其他時間的顯微組織第二相更加均勻，與原始態(tài)組織相比已無粗大的條狀組織，各項性能明顯優(yōu)于同組其他試樣。

綜上所述，耐高溫鎂合金VW63Z的固溶溫度選擇為520℃，固溶時間為20h。

3.3 耐高溫鎂合金VW63Z時效處理后顯微組織、顯微硬度分析

3.3.1 耐高溫鎂合金VW63Z時效處理后顯微組織分析

圖5～圖7顯示的是耐高溫鎂合金VW63Z經(jīng)過不同溫度和時間時效處理后的顯微組織圖。

圖5 200℃不同時間時效顯微組織

圖5顯示的是經(jīng)過固溶處理后的耐高溫鎂合金VW63Z在200℃條件下保溫不同的時間后的顯微組織，由圖可知，時效48h和96h后，材料仍保持了原有的固溶組織，但時效48h后，析出相多呈小塊狀或者點狀均勻分布，時效96h后，析出相明顯增多。

圖6顯示的是經(jīng)過固溶處理后的耐高溫鎂合金VW63Z在220℃條件下保溫不同時間后的顯微組織，由圖可知，時效48h和96h后，材料表面并無析出相出現(xiàn)，仍保持了原有的固溶組織。

圖6 220℃不同時間時效顯微組織

圖7 250℃不同時間時效顯微組織

圖7顯示的是經(jīng)過固溶處理后的耐高溫鎂合金VW63Z在250℃條件下保溫不同的時間后的顯微組織，由圖可知，時效48h和96h后，材料表面并無析出相出現(xiàn)，仍保持了原有的固溶組織。

3.3.2 耐高溫鎂合金VW63Z時效處理后顯微硬度分析

表1 維氏硬度HV測試結果 　　　 kgf?mm-2

表1給出了固溶處理后的耐高溫鎂合金VW63Z經(jīng)過不同溫度、不同時間的時效處理后的維氏硬度測試結果，并將每個制度的硬度平均值繪制曲線，如圖8所示。

由圖8可看出，耐高溫鎂合金VW63Z的硬度隨著保溫時間的增長呈升高趨勢，在同樣的時間內(nèi)，220℃時效處理后硬度值最高，200℃時次之，250℃時最低；220℃、96h時效處理后硬度值最高，平均值為130HV，200℃、96h時效處理后硬度值次之，為129HV，與前者相差無幾。

圖8 耐高溫鎂合金VW63Z時效處理硬度

綜合分析以上耐高溫鎂合金VW63Z經(jīng)過不同時效制度處理后的顯微組織和硬度結果，可知：經(jīng)200℃、96h時效處理后，合金內(nèi)的第二相能夠較好地析出，并均勻地分布在基體內(nèi)，產(chǎn)生彌散強化作用，提高了合金的顯微硬度和強度。

綜上所述，耐高溫鎂合金VW63Z的時效溫度選擇為200℃，時效時間為96h。

4 結束語

a. 耐高溫鎂合金VW63Z原始態(tài)組織由Mg基固溶體和呈現(xiàn)出條狀有序結構的第二相組織兩部分組成。

b. 耐高溫鎂合金VW63Z的固溶溫度選擇為520℃，固溶時間為20h，此時組織為彌散分布的不連續(xù)塊狀組織，第二相更加均勻，性能優(yōu)良。

c. 耐高溫鎂合金VW63Z的時效溫度選擇為200℃，時效時間為96h，此時組織中析出相均勻分布在基體內(nèi)，產(chǎn)生彌散強化作用，顯微硬度較高。

鎂合金是目前為止公認的實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化的理想材料，在航空航天、武器裝備、汽車、3C等行業(yè)都已廣泛應用。稀土鎂合金憑借其優(yōu)良的耐熱性、耐蝕性、高溫強度、抗蠕變性能、鑄造性能和焊接性能，已成為鎂合金材料的研究趨勢之一。Mg-Gd-Y系鎂合金具有優(yōu)良的室溫和高溫性能，目前Mg-Gd系鎂合金的室溫強度可達到450MPa以上，耐高溫溫度能達到350℃以上，研究和開發(fā)具有高強耐高溫性能的Mg-Gd-Y系鎂合金能夠滿足新一代高馬赫數(shù)航天武器裝備輕量化的迫切需求。Mg-Gd-Y系鎂合金主要通過固溶+時效的熱處理手段來提升材料性能，因此，探究并掌握材料的最優(yōu)熱處理制度，對獲取材料的最優(yōu)組織和性能具有重要意義。

1 王渠東. 鎂合金及其成形技術[M]. 第1版. 北京：機械工業(yè)出版社，2019

2 孫明，吳國華，丁文江. Mg-Gd系鎂合金的研究進展[J]. 材料導報，2009，23：32～34

3 高巖. Mg-Y-Gd-Zn-Zr鎂合金組織、性能及其蠕變行為研究[D]. 上海：上海交通大學，2009

4 鄭開云. Mg-Gd-Nd-Zr系鎂合金組織與性能研究[D]. 上海：上海交通大學，2008

5 向軍軍，薛寒松，邵興洲，等. Gd對Mg-Gd-Y-Zr鎂合金熱處理性能影響[C]. 第22屆重慶市鑄造年會論文集. 重慶：重慶市鑄造行業(yè)協(xié)會，2012：164～166

6 黃麗華，張濤，章曉波. 熱處理和擠壓對WE53鎂合金組織與力學性能的影響[J]. 有色金屬科學與工程，2014，5(6)：67～70

7 常森. Mg-11Gd-2Y-0.4Zr鎂合金熱處理及熱變形研究[D]. 太原：中北大學，2012

8 童炎，王渠東，高巖，等. Mg-13Gd-3Y-0.4Zr合金熱處理工藝優(yōu)化及其性能[J]. 輕金屬，2007，3：45～49

Effect of Heat Treatment on Microstructure and Poperties of VW63Z Magnesium Alloy

Wang Shenglong Guo Xiaolin Wang Zhimin Dong Dong Zhou Xiaojing Wu Kai

(Beijing Hangxing Machinery Manufacture Co., Ltd., Beijing 100013)

In order to determine the optimal heat treatment process of wrought VW63Z magnesium alloy, solid solution treatment and aging treatment at different temperature and time were carried out, the microstructure was observed by optical microscope, and the microhardness was tested by microhardness tester. Theresultsindicatethat the original structure of VW63Z is composed of the Mg-based solid solution and the second phase presenting a strip of ordered structure. The optimal solution treatment temperature and time of wrought VW63Z respectively is 520℃ and 20h, and at this time, the metallographic structure is a discontinuous mass structure with a uniform second phase and excellent performance. The optimal aging treatment temperature and time of wrought VW63Z respectively is 200℃ and 96h, and at this time, no precipitated phase is in metallographic structure, the microhardness is the highest.

VW63Z magnesium alloy；solution；aging；metallographic structure；microhardness

“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項資助項目（2018ZX04014-001）。

王勝龍（1988），博士，材料科學與工程專業(yè)；研究方向：輕合金熱加工成形技術。

2019-06-17