擠壓變形Mg-Y-Zn合金組織演變

任院生，郭新汝

（1.山東南山鋁業(yè)股份有限公司三碳素廠，山東 煙臺(tái) 265700；2.航鑫材料科技有限公司，山東 煙臺(tái) 265700）

近些年來，鎂（Mg）合金由于其低密度，高比強(qiáng)度，和優(yōu)良的鑄造性能和機(jī)械加工性能而備受關(guān)注，在汽車、航天航空和國防領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。其中，LPSO結(jié)構(gòu)Mg-Zn-Y合金由于其優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性配合而備受關(guān)注。已經(jīng)有研究表面[2，3]，Mg-Zn-Y合金優(yōu)異的力學(xué)性能與其特有的強(qiáng)化相有關(guān)，分別是：I相（Mg3Zn6Y，二十面準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)）、X相（Mg12Y1Zn1，18R型長周期結(jié)構(gòu)）和W相（Mg3Zn3Y2，立方結(jié)構(gòu)）。

傳統(tǒng)的高溫?cái)D壓變形工藝可以有效破碎脆性第二相，并且有效調(diào)控第二相形貌、尺寸和分布[4，5]。此外，擠壓變形還可以有效細(xì)化晶粒，消除縮孔、縮松等鑄造缺陷進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和塑性。對(duì)于Mg-Zn-Y合金而言，W相在固溶處理后可部分融入鎂基體中[3]，而LPSO結(jié)構(gòu)又具有獨(dú)特的強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形機(jī)制[2]，過飽和鎂基體在擠壓過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)析出行為。因此，有必要對(duì)擠壓變形Mg-Zn-Y合金的組織演變與強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)一步深入研究?；诖?，本文設(shè)計(jì)了Mg95Y2.5Zn2.5（at.%）合金，在400℃固溶處理12h后在350℃進(jìn)行熱擠壓，并探究其組織演變機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)過程

研究材料使用純鎂（99.99wt.%）、純鋅（99.99wt.%）和Mg-（25wt.%）Y中間合金在電阻爐熔煉，在750保溫30min，經(jīng)過攪拌、精煉和靜置，澆入提前預(yù)熱好的鋼模中自然冷卻。

從原鑄錠中加工出直徑60mm，高100mm的圓柱經(jīng)400℃固溶處理12h后熱擠壓。擠壓溫度為350℃，速度2mm/s，擠壓比為18：1。

采用光學(xué)顯微鏡，配有EDS和電子背散射衍射（EBSD）探頭的掃描電鏡，和透射電子顯微鏡對(duì)合金顯微組織的形貌進(jìn)行表征，用X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)組織

圖1是鑄態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金的金相照片?？梢钥吹浇M織呈明顯樹枝晶結(jié)構(gòu)，主要由白色鎂基體和黑色第二相組成。第二相存在于樹枝晶間隙沿晶界呈網(wǎng)絡(luò)狀分布。

圖2為鑄態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金的SEM組織照片。其組織主要由三種物質(zhì)組成，①位于A點(diǎn)的黑色鎂基體，其成分經(jīng)由EDS能譜分析確定為98.5Mg-0.8Y-0.7Zn（at.%）；②位于B點(diǎn)的白色層片狀共晶相，其成分被確定為42.4Mg-18.6Y-39.0Zn（at.%），原子比接近3：2：3，因此被確認(rèn)為W相；③位于C點(diǎn)的灰色組織，其成分被確定為85.7Mg-6.8Y-7.5Zn（at.%），原子比接近12：1：1，被確認(rèn)為LPSO相。

進(jìn)一步結(jié)合XRD結(jié)果（圖3），Mg95Y2.5Zn2.5合金的主要物相被確定為a-Mg，Mg3Zn3Y2（W相）和Mg12ZnY（LPSO相），這與SEM和EDS分析所得結(jié)論一致。

圖1 Mg95Y2.5Zn2.5合金鑄態(tài)金相組織

圖2 鑄態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金SEM組織

圖4 擠壓態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金金相組織

圖5 擠壓態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金SEM組織

圖3 鑄態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金XRD圖譜

2.2 擠壓態(tài)組織

圖4 為擠壓態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金的金相組織圖?？梢钥吹胶辖鸾?jīng)過熱擠壓之后，原本鑄態(tài)組織中的共晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不復(fù)存在。第二相沿?cái)D出方向（Extruding direction）呈帶狀分布。由于發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶且細(xì)化明顯，平均晶粒尺寸為10um。在TD-ND方向(Transverse direction-Normal direction)可以看出第二相分布彌散而均勻。

圖5為擠壓態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金的SEM組織照片。其中5（a）中可見細(xì)小DRXed等軸晶晶粒。此外，圖（b）中顯示粗大的W相被破碎為細(xì)小顆粒，沿?cái)D壓方向呈帶狀分布。LPSO相沿?cái)D壓方向拉長與W相交替相間分布，從TD-ND切面可以看出LPSO還發(fā)生了不同程度的扭折變形。

3 結(jié)論

鑄態(tài)Mg95Y2.5Zn2.5合金由鎂基體、網(wǎng)狀共晶W相和塊狀LPSO相組成。合金經(jīng)熱擠壓之后發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織由再結(jié)晶等軸晶粒，顆粒狀W相和扭折LPSO相組成。此外，合金在擠壓過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)析出，形成納米析出相。