Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金組織及不同軋制變形量對其力學性能的影響

焦云雷，王佳豪，李 健，巫瑞智

(1．天津航天機電設備研究所，天津 300458；2.哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

中國是鎂、鋰和稀土的資源大國，要科學有效地利用好這些戰(zhàn)略資源。隨著輕質結構材料在航空、航天、武器裝備、便攜電子產(chǎn)品等國防軍工及民用產(chǎn)品等重要工業(yè)領域中大規(guī)模應用，鎂鋰合金以其低密度、高性能的特點受到科研人員的高度重視，并得到企業(yè)界的重點關注。

鎂鋰鋁(Mg-Li-Al)系合金是目前研究最為廣泛的鎂鋰合金體系之一，Al元素的加入能夠有效改善鎂鋰合金的室溫性能，鋁含量的逐漸增多會有效地細化鎂鋰合金的晶粒、改善縮孔和熱裂的傾向，同時，形成的Mg17Al12相也能提高合金的抗拉強度。但當合金中的w(Al)>3%時，Al元素和Li元素會形成AlLi相，這是一種軟化相，會降低鎂鋰合金的性能。在Mg-Li-Al合金中微量添加Y、Sc、Zr三種合金元素，這些合金化元素可與合金中Al元素形成盡可能多的第二相，進而可改善合金的力學性能[1-4]。微合金化鎂鋰合金中，Y的添加雖然會使得合金的伸長率比不添加的同類合金略低一些，但是卻能使合金的抗拉強度明顯地提升，大大增加了其實用價值；Sc在Mg-Li-Al合金中會生成Al3Sc強化相，同時，微量Sc的加入，可以抑制合金中晶粒的長大；點陣錯配度很小的Zr和Mg都是密排六方(hcp)晶體結構，所以添加Zr元素可以很好地分散到基體中，不容易在合金中偏析、聚集形成尺寸很大的團聚物，同時鎂鋰合金熔體中含有較高熔點的α-Zr彌散質點，能起到異質形核的作用[5-8]。因此，Y、Sc、Zr對鎂鋰合金的微合金化具有重要作用，需要進一步研究。

基于上述需求，為獲取質量更輕、力學性能更優(yōu)的鎂鋰合金材料，本試驗采取微合金化的方法，在Mg-14Li-3Al合金中復合添加微量Y、Sc、Zr合金元素，研究鑄態(tài)合金的顯微組織和第二相類型，以及不同軋制變形量對Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金力學性能的影響，為工業(yè)化材料制備提供有益參考。

1 試驗材料與方法

本試驗選取純鎂錠(w(Mg)>99.9%)、純鋰錠(w(Li)>99.9%)、純鋁錠(w(Al)>99.9%)、鎂鈧中間合金(Mg-2Sc)、鎂鋯中間合金(Mg-30Zr)、鎂釔中間合金(Mg-17Y)為原料，通過高真空電磁感應熔煉爐熔煉、澆注，獲得Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc鑄態(tài)合金。合金的化學成分如表1所示。

表1 Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金鑄錠化學成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc alloy ingot(wt/%)

為了消除鎂鋰合金鑄錠中成分偏析和殘余應力等不利因素，使用貫通熱處理爐對合金進行均勻化熱處理，溫度為200 ℃，等爐內(nèi)溫度穩(wěn)定后再對鑄錠進行10 h的均勻化處理，然后隨爐冷卻至室溫。使用電火花線切割數(shù)控機床將均勻化處理的鑄錠切成規(guī)格為120 mm×50 mm×5 mm的板塊，清洗吹干保存在干燥環(huán)境中備用。

采用JD1A-90型軋機，軋輥的直徑為480 mm，設置軋機軋輥轉速為6 r/min，軋輥之間的距離根據(jù)下壓量的需要自行調(diào)節(jié)。在軋制之前，需將待軋試樣的表面用電刷機打磨干凈，隨后放入200 ℃的貫通爐內(nèi)保溫20 min。經(jīng)多道次軋制，本次試驗的軋制變形量分別選取30%、40%、50%、60%。

使用LEICA DM IRM金相顯微鏡對合金進行光學顯微組織觀察。使用Quanta 200型掃描電子顯微鏡對合金進行顯微結構和組織觀察，并使用附帶的能譜儀(EDS)進行精確地選點元素分析和平面元素分布掃描。采用D/Max2500PC Rigaku X射線衍射儀進行合金的物相組成測定，儀器的表征參數(shù)為掃描電壓40 kV，掃描電流為150 mA，掃描速度為5°/min，掃描角度范圍為20°～80°。將所得的試驗數(shù)據(jù)用MDI jade6.0程序與標準PDF卡片進行對比，分析并大致確定鎂鋰合金中的第二相。

采用HXS-1000Z型數(shù)字式智能顯微維氏硬度計測試合金試樣的硬度值。將需要進行測試的合金試樣在砂紙上打磨平整光亮，太薄的試樣需要鑲嵌后打磨，在拋光機拋出鏡面，用酒精沖洗后吹干。硬度測試加載力200 N，加載時間15 s。測試需在合金試樣的表面隨機取12個點，取平均值。

采用WDW-200D微機控制電子式萬能拉伸試驗機對合金進行拉伸測試，加載速率為1 mm/min。根據(jù)國標GB/T 228.1-2010拉伸試樣的尺寸如圖1所示，厚度為2 mm，除了鑄態(tài)和均勻化處理后的合金板塊可以隨意切取試樣外，所有的軋制試樣沿著RD方向切取拉伸試樣。

圖1 拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tensile specimen

2 試驗結果與分析

2.1 合金鑄態(tài)顯微組織和第二相類型分析

圖2為Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金鑄態(tài)的金相顯微組織。由圖2a可看出， Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc鑄態(tài)合金中晶粒的尺寸差別較大，大晶粒的尺寸在600 μm左右，小晶粒的尺寸在60 μm左右，組織不均勻。由圖2b可看出，鑄態(tài)合金中的第二相顆粒尺寸很小且均勻，大部分彌散分布在基體中，它們的形態(tài)絕大部分呈現(xiàn)圓球狀，只有少部分呈現(xiàn)短棒狀。部分晶粒內(nèi)和晶界處出現(xiàn)了第二相偏聚并長大的現(xiàn)象，尺寸大約在30 μm左右，局部區(qū)域形成的最大聚集物尺寸甚至達到了50 μm。

圖2 試驗合金鑄態(tài)金相組織Fig 2 Microstructure of the as-cast specimen

Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc鑄態(tài)合金的SEM掃描圖像如圖3所示。從圖3可以看出，基體中均勻分布著大量第二相，且第二相形態(tài)不一，小尺寸第二相顆粒呈球狀，較大尺寸的第二相顆粒呈短棒狀和不規(guī)則形態(tài)，還有部分聚集長大形成團簇的第二相(如圖中箭頭所示)，尺寸在30 μm左右，這與圖2所觀察到的第二相顆粒的尺寸基本吻合。

圖3 鑄態(tài)合金的SEM圖像Fig.3 SEM image of the as-cast specimen

圖4和圖5分別是鑄態(tài)合金的局部元素面掃圖和第二相選點EDS圖譜。圖4a為EDS分層圖像，能看到三個第二相點元素分布情況與基體有明顯的區(qū)別。圖4b為Mg的分布圖，第二相占據(jù)的位置點的顏色較暗，這是因為第二相分布點中鎂含量低于基體中的。由圖4c～4f可知，合金中：x(Al)>x(Sc)>x(Y)，且它們都在第二相點位上呈聚集的狀態(tài)，說明了第二相中存在Al、Y、Sc三種元素。圖4e可看出，Zr在第二相點位上聚集效果不是很明顯，幾乎是彌散分布在基體之中，這也說明了Zr元素對第二相的貢獻很小。有研究表明，在二元金屬間化合物Al3Sc相中復合添加其他不同元素時，當這些元素的添加量達到一定含量后會形成新結構的X元金屬間化合物[9]。因此，Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金在凝固過程中形成了一種初生Al3(Sc,Y,Zr)相。從圖5中可知，Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金該區(qū)域第二相中Al、Sc、Y、Zr的摩爾分數(shù)分別為23.71%、4.41%、3.71%、0.06%，此結果與面掃的結果吻合，因此可以確定該相為Al3(Sc, Y, Zr)相。

圖4 試驗合金鑄態(tài)的表面選區(qū)元素面掃圖像Fig.4 SEM images of the as-cast specimen

圖5 試驗合金鑄態(tài)中第二相的SEM圖像及其對應的EDS圖譜Fig.5 SEM image and the corresponding EDS patterns of the second phase in the as-cast specimen

2.2 不同軋制變形量對合金硬度的影響

Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金均勻化態(tài)和軋制變形量為30%、40%、50%、60%試樣的硬度如圖6所示。由圖6可知，隨著軋制變形量的增加，合金的硬度逐漸增加，從71.3 HV(均勻化態(tài)合金)增加到了77.45 HV(60%軋制變形量)，但增加的幅度很小，總共提升了6.15 HV。這主要是因為在軋制之前需將待軋制試樣在200 ℃的貫通爐內(nèi)保溫20 min，而該過程中晶粒會獲得能量繼續(xù)長大，在隨后的軋制變形過程中，由于軋制應力的作用減少了合金內(nèi)部組織縮松，并且細化了晶粒。從試樣的硬度結果來看，變形強化效果要大于前期保溫所造成的強度降低，因此合金的硬度總體上呈現(xiàn)出上升的趨勢。

圖6 不同軋制變形量的Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金試樣的硬度變化趨勢Fig.6 Hardness trend of Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc alloy specimen under different rolling reductions

2.3 不同軋制變形量對合金拉伸性能的影響

均勻化處理后不同軋制變形量Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金試樣沿RD方向的拉伸曲線如圖7所示。軋制應變量對合金的抗拉強度和伸長率的影響如圖8所示。由圖8可知， Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金鑄態(tài)的抗拉強度很低，而且塑性較差，抗拉強度為153 N/mm2，伸長率只有8.2%。經(jīng)過200 ℃10 h均勻化處理后的Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金試樣的抗拉強度和伸長率都有明顯增大，達到169 N/mm2和12.1%，這主要是因為均勻化后晶粒內(nèi)部的成分更加均勻，而且消除了部分的殘余應力。Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金在常規(guī)軋制變形過程中，隨著軋制變形量的增大，合金的抗拉強度逐漸上升，從均勻化態(tài)的169 N/mm2升高到235 N/mm2，而伸長率卻隨著軋制變形量的增加而減小。

圖7 不同軋制變形量的Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金的應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc alloys under different rolling reductions

圖8 不同軋制變形量的Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金的抗拉強度和伸長率變化趨勢Fig.8 Variation trend of ultimate tensile strength and elongation of Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc alloy under different rolling reductions

Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc合金在整個軋制應變過程中，至少存在細晶強化、應變硬化和彌散強化這三種強化機制的交互作用。金屬的應變硬化行為已經(jīng)得到了很好的解釋，其中位錯累積是應變硬化的主要原因。隨著軋制變形量的增加，位錯密度不斷增加，位錯的相互作用加劇，諸如會產(chǎn)生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力增加[10]。與此同時，合金在變形過程中，內(nèi)部晶粒會沿著軋制方向(RD方向)伸長，滑移的晶粒內(nèi)部的位錯有一定概率纏結在一起，位錯無法繼續(xù)運動，當應力繼續(xù)增大時，可能使晶粒破碎，這使得合金內(nèi)部原先的部分晶粒被撕碎、分解成幾個小晶粒，促進了晶粒細化。隨著晶粒得到細化，合金內(nèi)部晶界面積也得到增大，這使得合金的硬度也得到小幅度地提升。

除了應變硬化和細晶強化外，分散的析出相在軋制變形過程中也有助于提升合金的強度。鑄態(tài)合金中的第二相主要為Al3(Sc, Y, Zr)相，在軋制變形過程中，分散的析出相在軋制應力的作用下被碎化成小顆粒均勻分布在基體中，而這些均勻分布的小顆粒析出相可以充當裂紋源和勢壘，阻礙位錯在拉伸試驗中的運動。除此之外，部分晶粒內(nèi)和晶界處的第二相偏聚現(xiàn)象在軋制應力的作用下得到了消除和改善。

3 結 論

1)Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc鑄態(tài)合金中組織成分不均勻，晶粒尺寸的差異比較大，大晶粒的尺寸在600 μm左右，小晶粒的尺寸在60 μm左右。鑄態(tài)合金中的第二相彌散分布在整個基體中，部分區(qū)域有大量第二相顆粒發(fā)生團聚，其尺寸在30 μm左右。

2)Mg-14Li-3Al-1Y-0.8Zr-0.4Sc鑄態(tài)合金中第二相為Al3(Sc,Y,Zr)，鑄態(tài)合金中不存在AlLi軟化相。

3) 隨著軋制變形量的增加，合金的抗拉強度增加，伸長率減小。軋制變形量為60%的合金表現(xiàn)出最高的硬度和強度，其硬度為77.45 HV，抗拉強度為235 N/mm2，伸長率為6.5%。