Zr 添加對(duì)阻燃Mg 合金的組織和力學(xué)性能的影響

謝中柱，韓 剛，樊建鋒，許并社

（1.太原學(xué)院機(jī)電與車輛工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大學(xué)新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鎂合金是目前最具有廣泛應(yīng)用前景的輕量化金屬結(jié)構(gòu)材料[1]，由于鎂活性高，在高溫下容易和氧氣、水蒸氣等發(fā)生劇烈反應(yīng)，熔煉和加工困難。加入Y 和Ca 可生成高熔點(diǎn)、高致密度系數(shù)（a＞1）表面氧化膜[2]，隔絕鎂合金熔體和氧氣，提升鎂合金的燃點(diǎn)、有效阻燃。同時(shí)，作為低固溶度元素，容易成分過冷而富集于相界以及晶界，加速晶內(nèi)異質(zhì)形核，彌散釘扎，顯著細(xì)化晶粒。但是當(dāng)元素添加量過高時(shí)[3，4]（Y＞8wt%，Ca＞3.5wt%）,容易產(chǎn)生脆性，降低阻燃鎂合金的綜合力學(xué)性能，限制進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。本研究在阻燃鎂合金中添加晶粒細(xì)化劑Zr[5，6]，探索其對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響，改善合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)以工業(yè)純Mg（99.9wt%），Mg-20wt%Y，Mg-35wt%Ca 和Mg-30wt%Zr 中間合金為原料，采用高頻感應(yīng)爐熔煉Mg-Y-Ca-Zr 阻燃合金，并添加C2Cl6粉末和連續(xù)吹入高純Ar 氣體雙重精煉后澆鑄板材和蛇形棒材，采用原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測(cè)定合金組份，通過超景深三維數(shù)碼系統(tǒng)和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的力學(xué)性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織表征和分析

Mg-3.5Y-0.8Ca 阻燃鎂合金鑄態(tài)試樣的顯微組織如圖1a 所示，在稀土元素Y 的作用下，大部分晶粒細(xì)化至100um 以下，晶內(nèi)平整光滑，出現(xiàn)黑色的顆粒狀稀土元素偏聚物。添加Zr 元素后的Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 合金組織如圖1b 所示，多數(shù)晶粒細(xì)化至50um 左右，晶內(nèi)呈半連續(xù)的網(wǎng)格狀，晶界呈寬化的河流樣將晶粒放大觀察（圖1c），可見晶粒內(nèi)部均勻分散著直徑小于10um 的細(xì)晶，部分直徑小于5um。晶界處黑色的偏析聚集也分裂溶入基體并形成細(xì)晶。

在掃描電鏡下觀察合金的顯微組織如圖2 所示。粗晶的邊界呈脊?fàn)盥∑穑鼐Ы鐝浬⒅睆郊s為100nm～200nm的點(diǎn)狀偏聚物（如圖2 中c 區(qū)域），有零星的2um 左右的白色粗大偏聚物（如圖2 中b 區(qū)域），晶內(nèi)凹陷，偏聚物的密度和直徑均小于晶界處。多數(shù)粗晶界和晶內(nèi)均勻的裂解成直徑約為2um 的細(xì)晶，細(xì)晶的晶界均呈現(xiàn)寬化溝狀（如圖2 中c區(qū)域）。

由此可見：添加Zr 元素的阻燃鎂合金，晶粒由未添加前的100um 顯著細(xì)化至2um，這不僅有助于增加界面體積分?jǐn)?shù)，使過飽和的Y 和Ca 以及氧化物膜高效覆蓋Mg 基體，隔絕氧和水等，有效提升燃點(diǎn)和耐蝕性。同時(shí)，幾u(yù)m 甚至亞微米的晶界和晶內(nèi)偏析物，有效釘扎晶內(nèi)組織和晶界，顯著提升合金的力學(xué)性能。

圖1 鑄態(tài)合金的顯微組織照片

圖2 Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 合金微區(qū)的顯微組織SEM 圖像

2.2 合金的微區(qū)成份AES分析

表1 合金的微區(qū)成份ICP-AES 分析

合金的微區(qū)成份AES 分析結(jié)果如表1 所示。細(xì)晶的晶界處，Y、Ca 的含量均略高于平均值分別約17.7%、26.3%，而Zr 元素則高出10.3 倍，在晶界處顯著富集。在粗晶的晶界處出現(xiàn)的塊狀粗大偏聚物中，Y 元素高度富集，約為平均值的22.35 倍，Ca 輕微富集，未見Zr 元素。亞微米級(jí)的偏聚物中，Zr 元素高度富集，約為平均值的9.57 倍，Ca 元素略偏聚，約為平均值的1.5 倍。

由此可知，晶界偏聚物主要由Mg-Y 化合物[7]和Zr 元素形成，其中過飽和Y 元素在晶界處形成MgY 化合物并長(zhǎng)大粗化，可能是由于Y 的熔點(diǎn)較高，熔煉溫度下在基體中的溶解度較低導(dǎo)致，這可能影響合金組份的均勻化并降低阻燃和力學(xué)性能，需適當(dāng)提高熔煉溫度并增加Y 添加量，對(duì)合金鑄錠進(jìn)行后續(xù)的固溶處理，這也有助于晶內(nèi)和晶界處亞微米級(jí)的高Zr 偏聚物均勻析出、彌散分布，有效釘扎晶內(nèi)組織和晶界，阻礙晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)而改善阻燃合金的力學(xué)性能。

2.3 力學(xué)性能檢測(cè)和分析

在2kN 載荷下勻速、單向拉伸測(cè)定Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr鑄態(tài)合金的拉伸強(qiáng)度和延伸率并取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。和未添加Zr 元素的阻燃合金相比，拉伸強(qiáng)度由133Mpat 增加到178MPa，顯著提高約33.8%，延伸率為6.72%，有所改善。和Mg-Y 鑄態(tài)合金相比，力學(xué)性能相近，可以滿足工業(yè)廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）添加Zr 元素可將Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 阻燃合金的晶粒由75um 顯著細(xì)化至約2um。晶界偏聚物均勻細(xì)化為亞微米尺度并沿著晶界向晶內(nèi)彌散分布。

（2）晶界及緊鄰晶內(nèi)區(qū)域的偏聚物主要由Mg-Y 化合物和Zr 元素形成，包含少量Ca 元素。

（3）添加Zr 元素可以有效釘扎晶界和晶內(nèi)組織，顯著提升阻燃鎂合金的力學(xué)性能。