熱處理Mg-9Y-1Cu合金的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能★

魏曉晉，馮亞斌，孫二東，劉寶勝，王正誼，張芳萍

（1.中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司，山西 晉中030600；2.太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

對(duì)于結(jié)構(gòu)金屬材料的開(kāi)發(fā)和研究，屈服強(qiáng)度作為鎂合金設(shè)計(jì)依據(jù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其參數(shù)決定著材料的實(shí)際使用極限。因此研發(fā)更高強(qiáng)度的快速降解鎂合金也決定著其應(yīng)用前景和未來(lái)。固溶處理過(guò)程所獲得的過(guò)飽和固溶體在經(jīng)過(guò)人工時(shí)效后，會(huì)發(fā)生分解并析出第二相，其所起到的時(shí)效強(qiáng)化效果，可以相當(dāng)于提高鎂合金的屈服強(qiáng)度而降低其塑性[1]；擠壓成型工藝使鑄造鎂合金中鑄造缺陷的減少、晶粒尺寸的細(xì)化、第二相數(shù)量及形貌的變化以及位錯(cuò)孿晶的形成等的改變，在經(jīng)過(guò)時(shí)效后也會(huì)提高合金工件的穩(wěn)定性，增加合金的強(qiáng)硬度，減弱塑韌性[2，3]。但是兩種工藝對(duì)鎂合金力學(xué)性能的影響，到目前為止盡管有些報(bào)道，但由于受添加元素?cái)?shù)量、合金系以及工藝參數(shù)的影響，至今仍不十分清楚。

因此，論文對(duì)稀土鎂合金Mg-9Y-1Cu合金固溶及擠壓工藝后繼續(xù)進(jìn)行時(shí)效處理，進(jìn)一步研究合金微觀組織和力學(xué)性能演變規(guī)律。擬通過(guò)進(jìn)一步地時(shí)效處理，探究合金微觀組織改變對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理，為多種服役條件下的快速降解鎂合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)熔煉所用原料為純Mg（w（Mg）為99.99%）、純Zn（w（Zn）為99.99%）、w（Mg）-w（Cu）（30%）和w（Mg）-w（Y）（30%）中間合金。熔煉過(guò)程采用常規(guī)的半連續(xù)鑄造的方法，整個(gè)過(guò)程向電阻爐的坩堝內(nèi)通混合的N2和SF6保護(hù)氣，防止鎂的氧化及釔與CO2的反應(yīng)，損耗熔煉合金。

根據(jù)擠壓實(shí)驗(yàn)對(duì)所需合金性能的需要，將鑄錠在線切割機(jī)上加工得到擠壓所用Φ100 mm的圓棒，對(duì)試樣表面潔凈處理后，在400℃下進(jìn)行10 h的均質(zhì)化處理，以消除合金鑄造過(guò)程中的成分偏析程度。之后在850 t臥式油壓機(jī)下進(jìn)行擠壓工藝，先將模具和樣品在擠壓腔內(nèi)加熱至380℃，保溫30 min后，后以2 mm/s的擠壓速度，鑄態(tài)圓棒擠壓成尺寸為Φ20 mm的棒材，擠壓比是5：1。對(duì)表面進(jìn)行潔凈處理，切去擠壓兩端后留中間部分作為本次實(shí)驗(yàn)的研究試樣，留待進(jìn)一步分析測(cè)試。

基于對(duì)Mg-Y合金時(shí)效溫度和時(shí)長(zhǎng)的研究[4，5]，對(duì)Mg-9Y-Cu合金分別進(jìn)行了以下處理：樣品1，在固溶（430℃，24 h，水淬）Mg-9Y-Cu合金的基礎(chǔ)上，進(jìn)行時(shí)效（200℃，12 h，空冷)處理，即T6處理。樣品2，擠壓+自然時(shí)效（在自然環(huán)境放置了1年）處理。樣品3，擠壓+人工時(shí)效（200℃，12 h，空冷）處理。

1.2 組織結(jié)構(gòu)

借助線切割機(jī)，將試樣切割成Φ11.28 mm×15 mm的小圓柱，在粗磨機(jī)上將圓柱的上下兩個(gè)底面打磨至平行且平整，然后依次在型號(hào)為400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)、1 000號(hào)、1 200號(hào)、1 600號(hào)、2 000號(hào)粗細(xì)的砂紙上進(jìn)行水磨，重復(fù)打磨至試樣表面殘存細(xì)微劃痕后，輔以金剛石W2.5型研磨膏，在拋光機(jī)上進(jìn)行打磨拋光，直至進(jìn)行觀察的圓柱表面上光亮無(wú)劃痕，用酒精清洗試樣表面防止合金氧化。采用的腐蝕液為5.5 g苦味酸，10 mL蒸餾水，5 mL冰乙酸，90 mL酒精，腐蝕時(shí)間為10～15 s，其余實(shí)驗(yàn)操作參照鑄態(tài)合金腐蝕過(guò)程。

利用X射線衍射儀（XRD，D/MAX-2500）進(jìn)一步精確的對(duì)合金試樣進(jìn)行物相檢測(cè)分析，測(cè)試所用輻射源為Cu（Kα）靶，步長(zhǎng)0.02°，掃描范圍為20°～90°。所得實(shí)驗(yàn)譜線通過(guò)Jade6.5及2004版pdf卡片進(jìn)行比對(duì)分析。

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi S-4800）電子束成像原理來(lái)觀察樣品表面微觀第二相形貌及分布，掃描所用的電壓電流分別為15 kV和15 mA。同時(shí)利用該機(jī)型自帶能譜探頭測(cè)試樣品第二相的原子比，結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步判斷合金中第二相成分。測(cè)試樣品表面處理制備過(guò)程參照金相觀察試樣。

1.3 力學(xué)性能

室溫拉伸實(shí)驗(yàn)在CTM-5504型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試所采用的拉伸速率為0.5 mm/min。得到合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。測(cè)試試樣尺寸參數(shù)如圖1所示，從線切割機(jī)得到的標(biāo)準(zhǔn)拉伸片后，在400號(hào)、800號(hào)、1 200號(hào)砂紙依次打磨試樣表面，直至表面光滑，不存在引起應(yīng)力集中的切割棱角、點(diǎn)缺陷為止。為了保證此次力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種試樣測(cè)試3個(gè)平行拉伸件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終取均值。同時(shí)分析試樣斷口形貌以研究其斷裂的微觀組織機(jī)理。

圖1 拉伸試樣圖（mm）

2 時(shí)效處理Mg-4Y-2Cu合金的顯微組織

2.1 金相組織

圖2給出了時(shí)效處理的Mg-9Y-Cu樣品的光學(xué)微觀組織，圖2-1為鑄造+固溶+時(shí)效（T6）狀態(tài)，圖2-2為熱擠壓+自然時(shí)效（T1）狀態(tài)，圖2-3為熱擠壓+人工時(shí)效（T5）狀態(tài)。合金的平均晶粒尺寸依次為44.8μm、4.8μm和5.3μm。T6態(tài)樣品的組織較粗大，第二相呈現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀分布。與鑄態(tài)組織相比，在沿晶界分布的粗大第二相輪廓附近，析出了針狀的細(xì)小第二相（圖2-1中所示），該相在單個(gè)晶粒內(nèi)部的晶體學(xué)取向相同，而不同晶粒內(nèi)部又具有隨機(jī)的取向[6]。而T1態(tài)（見(jiàn)圖2-2），縱向截面的微觀組織發(fā)生了顯著變化。破碎的第二相沿著擠壓方向呈流線分布。原鑄態(tài)組織中粗大的枝晶完全消失，形成細(xì)小的等軸動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。對(duì)于擠壓后人工時(shí)效的合金，及T5態(tài)（見(jiàn)圖2-3），可以看到在200℃時(shí)效12 h后，晶粒尺寸有所長(zhǎng)大。由于合金的析出驅(qū)動(dòng)力增大，可以看到在吉布斯自由能較高的晶界和第二相輪廓附近，其析出的第二相更加密集，呈現(xiàn)出帶狀分布。

圖2 時(shí)效態(tài)Mg-4Y-2Cu合金的金相圖像

2.2 SEM組織觀察與EDS分析

如下頁(yè)圖3所示，為固溶和擠壓工藝后時(shí)效處理Mg-9Y-Cu合金的SEM組織圖。在T6樣品中，連續(xù)粗大的第二相均勻分布在Mg基體內(nèi)部，并且晶粒晶界均較為粗大（見(jiàn)圖3-1）。T6處理后的樣品沿著晶界與基體輪廓析出了細(xì)小層片狀的灰暗相，且在較小的晶粒內(nèi)部密度較高。下頁(yè)表1給出的能譜結(jié)果表明，該層片狀灰暗相為L(zhǎng)PSO相；而粗大的網(wǎng)狀第二相，仍然為網(wǎng)狀LPSO相和球狀Mg2Cu相交替分布。從T1（見(jiàn)圖3-2）和T5（見(jiàn)圖3-3）樣品可見(jiàn)，基體為細(xì)小的等軸晶，這是在擠壓過(guò)程發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的再結(jié)晶晶粒。另外，細(xì)小的白亮色第二相成線狀分布。樣品在擠壓之前首先進(jìn)行均勻化處理，如前所述，由于Cu在Mg中的溶解度極低，因此，均勻化處理并不能完全將金屬間化合物溶解，在擠壓過(guò)程中剩余的化合物被破碎后沿?cái)D壓方向流動(dòng)，形成了線狀分布狀態(tài)。隨后的時(shí)效過(guò)程中，大部分第二相在體系界面能降低的驅(qū)動(dòng)下趨于球化。與T1樣品相比，高溫下T5樣品中時(shí)效析出的第二相數(shù)量更多。二者的能譜結(jié)果顯示顆粒狀第二相是由LPSO和Mg2Cu兩相組成。此外，在T1合金高倍掃描圖的晶粒內(nèi)部中，也觀察到了針狀結(jié)構(gòu)相形成，根據(jù)文獻(xiàn)[7，8]，這些針狀析出物具有LPSO結(jié)構(gòu)。

圖3 時(shí)效處理Mg-4Y-2Cu合金的SEM圖像

表1 圖3中時(shí)效處理Mg-4Y-2Cu合金不同點(diǎn)的EDS結(jié)果 %

2.2.1 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4為固溶及擠壓工藝后時(shí)效處理Mg-9Y-Cu合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。同時(shí)表2給出了測(cè)試樣品力學(xué)參數(shù)具體數(shù)值。熱處理后T6樣品的拉伸屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度明顯高于鑄態(tài)合金的，但伸長(zhǎng)率沒(méi)有明顯改觀。經(jīng)擠壓變形的T1樣品，其力學(xué)性能顯著提高，抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)為251 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到19.3%，屈服強(qiáng)度為194 MPa。對(duì)于擠壓人工時(shí)效的T5樣品，在晶粒長(zhǎng)大的負(fù)面影響和第二相析出強(qiáng)化的正面影響的共同作用下，T5樣品的強(qiáng)度有所增加，但伸長(zhǎng)率下降了0.5%。

圖4 時(shí)效處理Mg-4Y-2Cu合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 時(shí)效處理Mg-4Y-2Cu合金力學(xué)性能參數(shù)

2.2.2 斷口分析

圖5為固溶及擠壓工藝后時(shí)效處理Mg-9Y-Cu合金的斷口SEM圖。從圖中可以看出，T6合金的斷口主要由解理面和撕裂棱組成，主要呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂。此外，在斷口上還存在少量的淺韌窩。而T1和T5合金的斷口則主要由韌窩和撕裂棱組成。韌窩的尺寸較小，數(shù)量較多，且在韌窩底部存在顆粒狀的第二相。說(shuō)明T1和T5合金的斷裂方式為韌性斷裂，第二相和基體的輪廓為斷裂萌生位點(diǎn)。此外，合金經(jīng)過(guò)擠壓后，強(qiáng)度和塑性都有很大的提高，這與拉伸得到的結(jié)果一致。

圖5 時(shí)效處理Mg-4Y-2Cu合金的斷口SEM圖

眾所周知，高溫固溶和低溫時(shí)效處理，使固溶強(qiáng)化和彌散析出強(qiáng)化充分增強(qiáng)合金強(qiáng)度，其主要?dú)w因于鎂合金中析出相的尺寸、數(shù)量、形貌和分布狀態(tài)[9]。Mg-9Y-Cu合金經(jīng)過(guò)T6處理后，其部分晶粒析出了從晶界一直延伸到晶粒內(nèi)部的層片狀的LPSO相，在承受拉應(yīng)力過(guò)程中，晶粒內(nèi)部的層片狀LPSO結(jié)構(gòu)有效“釘扎”了位錯(cuò)的移動(dòng)，增強(qiáng)了合金強(qiáng)度。而經(jīng)擠壓+時(shí)效的T1和T5合金，由于鎂合金在380℃的熱擠壓下合金組織發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒顯著細(xì)化。單個(gè)晶粒內(nèi)部參與塞積的位錯(cuò)數(shù)量減少，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的晶界數(shù)目增多；破碎的顆粒形狀的LPSO相和Mg2Cu相與其他形狀第二相相比，對(duì)擠壓合金的割裂作用以及應(yīng)力集中現(xiàn)象也減弱，顯著起到了彌散強(qiáng)化的作用。因此，經(jīng)T1，T5處理的擠壓態(tài)合金綜合力學(xué)性能顯著提升。

3 結(jié)論

1）固溶和擠壓工藝后時(shí)效處理顯著影響著微觀組織結(jié)構(gòu)變化。T6合金部分晶粒內(nèi)部會(huì)析出14H結(jié)構(gòu)的層片狀LPSO相。經(jīng)過(guò)擠壓工藝后，T1合金晶粒明顯減小，晶界增多，在晶間及晶粒內(nèi)部彌散分布著破碎的第二相。經(jīng)擠壓人工時(shí)效后，T5合金晶粒長(zhǎng)大，且析出的第二相數(shù)量有所增多。

2）固溶+時(shí)效處理的T6合金，其飽和的部分晶粒內(nèi)部析出了層片狀的LPSO相，在固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用下，T6合金強(qiáng)度提高到了97 MPa和193 MPa。而T1合金細(xì)化的晶粒和彌散分布第二相使得合金的綜合力學(xué)性能顯著提高，達(dá)到商用AZ系列鎂合金的強(qiáng)度。進(jìn)一步對(duì)擠壓合金進(jìn)行人工時(shí)效，T5合金伸長(zhǎng)率有所下降，而強(qiáng)度變化不明顯。