原位內(nèi)生AM50-x（Zn, Y）合金組織與性能

供稿|陳學(xué)文 / CHEN Xue-wen

作者單位：1. 廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510520；2. 廣州市金屬學(xué)會，廣州 510520

內(nèi)容導(dǎo)讀本文將Zn和Y元素以原子比為6:1的形式混合加入到AM50合金中，希望通過這種方式能夠在AM50合金中形成Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶相，從而達到改善AM50合金性能的目的。用電子能譜儀（EDS）、光學(xué)顯微鏡（OM）和電子拉力實驗機等研究了原位內(nèi)生AM50-x（Zn,Y）合金組織與性能。結(jié)果表明：Zn、Y元素加入到AM50合金中后，其形成的合金晶粒在體積上縮小，原本合金組織以β-Mg17Al12相存在，在加入Zn、Y元素之后形成β-Mg17（Zn,Al）12固溶體相，由此使得原合金組織的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；適當(dāng)增加加入元素的量，在質(zhì)量比例為4%時，檢測到合金的各項力學(xué)性能指標(biāo)達到最高值，σb、σ0.2、δ最高值分別為206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%，相較于原合金，各項指標(biāo)均得到明顯提升。

由于鎂合金較為輕便且具有較高的硬度，因此常被應(yīng)用到汽車等交通工具上[1]。但從鎂合金的實際應(yīng)用來看，在較高摩擦因數(shù)的影響下使得該材料難以應(yīng)用到一些運動部件上面。為了讓鎂合金擁有更高的應(yīng)用價值，對提升鎂合金耐磨性能的方法展開研究具有較為積極的意義，而從相關(guān)研究結(jié)果來看，通過添加稀土元素、堿土元素、碳纖維、Al2O3纖維等都可以對鎂合金耐磨性能起到較大的改善效果[2-10]。

準(zhǔn)晶表現(xiàn)出較多具有優(yōu)勢的特性，如：硬度較高、摩擦因數(shù)較低等，使得其成為當(dāng)前鎂合金研究的主要方向。有研究表明[11-16]：利用普通鑄造法制備出準(zhǔn)晶含量較高的 Mg-Zn-Gd 準(zhǔn)晶，在此制作過程中采用外加法，研究在AM50合金中加入Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶后對其性能產(chǎn)生的影響。從結(jié)果來看，在向AM50合金中加入適量的Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶后，能夠改善和細化AM50合金組織，使其原本的各項力學(xué)性能得到較大的改善。但是該制作方法也存在較大的局限性，首先需要制作出準(zhǔn)晶含量較高的Mg-Zn-Gd 準(zhǔn)晶，使其成為AM50合金的中間合金，但該制作工藝較為復(fù)雜，且具有較高的生產(chǎn)成本，使其實用性受到影響。

本文將Zn和Y元素以原子比為6:1的形式混合加入到AM50合金中，希望通過這種方式能夠在AM50合金中形成Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶相，從而達到改善AM50合金性能的目的。從Zn和Y元素與AM50合金的實際凝固過程來看，當(dāng)前主要有兩種不同的凝固處理工藝，下面主要通過實驗研究的方式探討科學(xué)的處理工藝。

實驗材料與方法

實驗材料

實驗中的實驗材料包括：5%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸乙醇腐蝕劑、Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶合金、AM50合金等。

實驗儀器設(shè)備包括：MDS金相顯微鏡（OPTEC公司）、Rigaku D/max-2500 型 X 射線衍射儀、METT LERTGADSCⅠ/1100LF 型差熱分析儀、VEGAⅡLMU可變真空SEM及EDS（TESCAN公司）、HXS-1000AKY型顯微硬度計。同時在實驗中應(yīng)用Image-pro Plus 6.0 （IPP 6.0）軟件進行統(tǒng)計。

實驗方法

首先將AM50合金置于700 ℃溫度下，使合金發(fā)生熔化，然后將表面的一些浮渣去除；其次對提前制作完成的Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶合金進行預(yù)熱處理，然后將其按照不同的質(zhì)量比例（2%、3%、4%、5%）添加到合金熔液中，并維持700 ℃溫度約5 min，對其中的合金熔液做攪拌處理，將浮于表面的渣滓去除；最后將合金熔液澆筑到準(zhǔn)備好的模具之中。

實驗結(jié)果與分析

AM50-x（Zn, Y）合金的顯微組織

AM50-x（Zn, Y）合金的晶體組織形狀照片如圖1所示，對各圖的晶體組織進行對比，其中圖1（a）的AM50合金組織，其晶粒尺寸明顯較大；圖1（b）的AM50-2%（Zn, Y）合金的晶粒尺寸相較于AM50合金組織變細，且現(xiàn)象較為明顯；圖1（d）的AM50-4%（Zn, Y）合金的晶粒尺寸達到最細，據(jù)觀察晶粒平均尺寸在50 μm左右；圖1（e）的AM50-5%（Zn, Y）合金的晶粒尺寸相較于AM50-4%（Zn, Y）合金有一定程度增大，但整體仍較AM50合金組織晶粒細小。

圖1 不同比例AM50-（Zn, Y）合金晶粒大小

AM50-x（Zn, Y）合金的SEM照片如圖2所示。其中圖2（a）的AM50合金組織，含有較多的β-Mg17Al12相，在合金組織中呈現(xiàn)斷續(xù)網(wǎng)狀，寬度在8～10 μm；圖2（b）～（e）為加入Zn、Y元素后的SEM照片，將之與圖2（a）比較，從中可發(fā)現(xiàn)隨Zn、Y元素加入，合金組織中的β-Mg17Al12相逐漸減少，斷續(xù)網(wǎng)狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀、顆粒狀，且在Zn、Y元素加入量達到4%時，β-Mg17Al12相的寬度降低到3 μm左右。

圖2 不同比例AM50-（Zn, Y）合金的SEM像

圖3 為AM50-4%（Zn, Y）合金的局部放大SEM照片和EDS分析結(jié)果。由圖可知，灰色β相中不僅含有較多的Mg、Al元素，而且還含有少量的Zn元素（如圖3（c）所示），因此β相被稱之為β-Mg17（Al,Zn）12固溶體相；此外，在白亮層片狀組織中也含有這三種元素，只是三者所占據(jù)的比例存在差異，具體如圖3（d）所示，因此將這種合金稱為Φ-Mg21（Zn,Al）17相；而在組織中表現(xiàn)出來的白亮顆粒，其內(nèi)一般含有Al、Y、Mn、Mg四種元素，具體如圖3（e）所示，而Al、Y和Mn占據(jù)主體。

圖3 加入4%Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的SEM照片和EDS分析結(jié)果

圖4為加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的XRD圖譜。從圖譜顯示結(jié)果來看，當(dāng)加入比例為0和2%的時候，合金組織中只存在α-Mg和β相，此時無Φ相存在，分析其原因，主要因為合金組織中含有Zn元素過少，且存在的少量Zn元素也融入到β相之中；當(dāng)加入比例為3%、4%、5%時，XRD圖譜同時含有α-Mg、β相、Φ相的衍射峰，且新出現(xiàn)的Φ相衍射峰隨加入量增多衍射強度逐漸增強。從合金的XRD圖譜顯示結(jié)果來看，也證明上述組織分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的XRD譜

AM50-x（Zn, Y）合金的力學(xué)性能

圖5 為AM50-x（Zn, Y）合金的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并對合金的力學(xué)性能進行檢測，如表1所示。從表中數(shù)據(jù)來看，AM50-x（Zn, Y）合金的力學(xué)性能首先隨加入Zn、Y元素量增多而逐漸增強，在加入Zn、Y元素比例為4%時AM50-x（Zn, Y）合金力學(xué)性能達到最優(yōu)，此時σb、σ0.2、δ的數(shù)值分別為206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%。但隨著加入Zn、Y元素量的進一步增多，AM50-x（Zn, Y）合金的力學(xué)性能會出現(xiàn)下降的趨勢，此點從加入Zn、Y元素比例為5%時的σb、σ0.2、δ的數(shù)值可看出。

圖5 加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的室溫拉伸性能

從實際檢測結(jié)果來看，在AM50合金中添加適量的Zn、Y元素對改善其力學(xué)性能（抗拉強度、屈服強度、屬性）效果較為顯著。

結(jié)束語

（1）在向AM50合金中加入適量Zn、Y元素元素之后，所形成的合金組織在晶粒尺寸上大幅減小，究其原因，主要在于合金中β-Mg17Al12相發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著Zn、Y元素加入比例大于3%時，會在合金組織結(jié)構(gòu)中生成Φ相，并包圍在β相周圍，且在Φ相數(shù)量隨Zn、Y元素加入比例增大而逐漸增多。

（2）加入不同比例Zn、Y元素形成合金的力學(xué)性能，主要因為細晶強化、β相變化所引起。且在加入比例為4%時，所形成合金的各項力學(xué)性能達到最大 值，σb、σ0.2、δ的 數(shù) 值 分 別 為206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%，相較于AM50合金有較大的提升。