鎂鋰合金熱處理溫度對α/β 相轉(zhuǎn)變及晶粒尺寸的影響

供稿|梁艷，崔瑞康，陳志君，甄慧強，冀曉淵，錢凌云

內(nèi)容導(dǎo)讀

LA103Z 鎂鋰合金由于其優(yōu)異的性能，目前已成為具有發(fā)展前景的航空航天輕量化材料。為了探究熱處理溫度對雙相LA103Z 鎂鋰合金性能的影響，本文對鍛造態(tài)LA103Z 鎂鋰合金進(jìn)行了不同溫度的熱處理實驗，然后對原始合金與不同溫度熱處理實驗的試樣進(jìn)行顯微組織宏觀比較和定量分析。研究結(jié)果表明：在熱處理過程中，α 相發(fā)生了面積長大和形狀球化，而β 相晶粒尺寸逐漸均勻化，并有一定程度的長大，同時α 相與β 相發(fā)生相轉(zhuǎn)變。其中在150～200 °C 時，β 相晶粒逐漸變?yōu)榈容S狀，α 相面積變大并且相占比增加，合金均質(zhì)化并強度增加；而在250 °C 時，β 相晶粒尺寸增長趨勢較快，出現(xiàn)粗大的趨勢，而α 相由于脫鋰現(xiàn)象占比增大，面積有減小并形狀有球化的趨勢，導(dǎo)致合金塑性下降。因此，熱處理溫度在200 °C 時，LA103Z 鎂鋰合金的綜合性能最好。

鎂鋰合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料受到人們的廣泛關(guān)注[1]。鎂鋰合金密度介于1.35～1.65 g/cm3之間，并有比強度及比剛度高、低各向異性及優(yōu)良的抗高能粒子穿透能力等優(yōu)勢，是航天航空、軍工、核工業(yè)、汽車、3C 產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域最理想并有著巨大發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)材料之一[1]。根據(jù)鋰含量的不同，鎂鋰合金晶體結(jié)構(gòu)也會發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變[2]。根據(jù)鎂鋰二元合金相圖，當(dāng)Li 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5.7%時為α 單相；高于11.2%時，則全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相；而處于5.7%～11.2% 時，合金為α+β 雙相基體[3-4]。雙相鎂鋰合金中硬質(zhì)相α-Mg 與軟質(zhì)相β-Li 的協(xié)調(diào)作用，使其具有優(yōu)異的冷成形性[5]，兼顧了合金的強度和塑性，是目前研究學(xué)者的關(guān)注點。

為了進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能，研究人員采取添加合金元素[6]、軋制[7]、等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)[8]、熱處理等手段進(jìn)行。其中，熱處理工藝一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分或改變工件表面的化學(xué)成分而且具有高效、低成本等特點，使金屬工件達(dá)到改善力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能的目的。常見的熱處理工藝有均勻化退火、淬火和固溶時效以及混合熱處理等。其中均勻化退火可以提高合金組織成分的均勻性，但退火溫度對鎂鋰合金的影響至關(guān)重要，溫度低均勻化時間需要延長并且效果不好，而溫度過高凝固時產(chǎn)生的非平衡凝聚引起組織過燒，合金氧化嚴(yán)重，并且晶粒長大影響性能，因此選擇合適的熱處理溫度非常重要[2]。對此，研究人員對雙相鎂鋰合金的退火熱處理進(jìn)行了大量研究。吳洪超等[9]對雙相Mg-8Li-4Al-3Zn-La進(jìn)行400 °C 退火熱處理后，拉長相變?yōu)榈容S狀，強化相MgAlLi2 轉(zhuǎn)變?yōu)锳lLi 相，導(dǎo)致強度、延伸率略微下降。Guo 等[10]對雙相Mg-7.8Li-0.8Zn 進(jìn)行150～350 °C 退火熱處理，出現(xiàn)了α/β 相轉(zhuǎn)變，并且α 相的細(xì)化和球化有助于提高合金延展性。Tang 等[11]對雙相軋制態(tài)LAZ832-0.2Y 鎂鋰合金進(jìn)行200～300 °C退火熱處理，在250～300 °C 時可以看到明顯的晶粒長大，而且極限抗拉強度從263.3 下降到246 MPa，延伸率從9.3% 提高到13.2%。Pahlavani 等[12]對雙相LZ71 鎂鋰合金薄板進(jìn)行(0、250 和300 °C)退火處理，并通過響應(yīng)面優(yōu)化算法得出在350 °C 時鎂鋰合金薄板在各個方向上具有最佳的靜態(tài)性能。因此探究合適的退火溫度對于雙相鎂鋰合金的使用具有重要意義。

本文對雙相LA103Z 鎂鋰合金進(jìn)行不同溫度退火熱處理，通過定量分析不同溫度對合金中α 相大小及形狀、β 相晶粒尺寸和α/β 相占比的變化，定性分析不同溫度退火熱處理對LA103Z 鎂鋰合金的影響，為后續(xù)的加工處理提供了有價值的參考。

實驗材料和方法

實驗采用的材料為西安四方超輕材料有限公司生產(chǎn)的LA103Z 鎂鋰合金鍛料棒材，化學(xué)成分如表1所示。熱處理溫度T分別選擇150、200 和250 °C，并保溫60 min 后，隨爐冷卻后取出樣品。對試樣進(jìn)行拋光至表面呈鏡面，使用鄰硝基苯酚1.5 g+乙酸0.5 ml+無水乙醇10 ml+蒸餾水1 ml 侵蝕并觀察顯微組織，并使用Image-Pro Plus 進(jìn)行統(tǒng)計。

表1 LA103Z 的化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

結(jié)果分析與討論

平均晶粒尺寸

LA103Z 鎂鋰合金棒材的微觀分析如圖1 所示。從圖1(a) 可以看出該合金中深色晶體結(jié)構(gòu)占大多數(shù)，白色部分占比較小；局部放大圖圖1(b)顯示白色部分為富鎂的α 相，深色的部分為富鋰的β 相，且β 相中的晶粒呈等軸狀，但晶粒尺寸分布不均。根據(jù)圖1(c)統(tǒng)計圖可知，鎂鋰合金材料的β 相晶粒尺寸范圍為4～15 μm，其中有30%左右的晶粒尺寸在8～9 μm，晶粒尺寸分布跨度大。

不同溫度熱處理的微觀組織如圖2 所示。根據(jù)圖2(a)和2(b)顯示，150 °C 熱處理后，平均晶粒尺寸(Average grain size, AGS)增大了1.41 μm，大部分晶粒尺寸在8～12 μm，分布開始集中。當(dāng)200 °C 熱處理時，由圖2(c)和2(d)看出平均晶粒尺寸變化較小(0.99 μm)而晶粒尺寸集中度更高。但250 °C 熱處理時，約有20% 的晶粒尺寸分布在13～18 μm，β 相晶粒開始粗化，圖2(e) 和2(f)所示。不同溫度熱處理的晶粒尺寸變化如圖3 所示，可以看出平均晶粒尺寸隨溫度的升高有增大的趨勢，但晶粒得到均勻化。而在250 °C 時，β 相晶粒尺寸有顯著增加的趨勢，這與熱作用釋放加工時儲存的變形量有關(guān)[13]。Tang[11]等也在對雙相LA832-0.2Y鎂鋰合金退火熱處理中發(fā)現(xiàn)在250～300 °C 時晶粒尺寸出現(xiàn)了粗大現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)存在晶粒異常生長，說明這可能是由于一定數(shù)量的具有特殊取向的晶粒優(yōu)先生長，然后逐漸吞噬相鄰細(xì)晶粒。根據(jù)Hall-Petch效應(yīng)，合金晶粒尺寸越大，合金屈服強度越低，故熱處理溫度選擇200 °C 時，LA103Z 鎂鋰合金的綜合強度好。

α 相變化

圖2(a)、2(c) 和2(e) 顯示α 相在微觀組織圖中呈現(xiàn)長條狀。針對α 相在不同溫度的熱處理后的變化，本文采用α 相的平均面積和離心率e(式(1))來分別定量分析α 相的面積和形狀變化。

式中，a為α 相的長軸，b為α 相的短軸。

α 相面積變化統(tǒng)計結(jié)果如圖4(a) 所示，在經(jīng)過不同溫度熱處理后，α 相平均面積發(fā)生了不同程度長大。其中在200 °C 時，α 相平均面積變化程度最大，由223.3 μm2增 長 到470.2 μm2，在150 和250 °C 時也增加了一半以上的面積。因為熱效應(yīng)的影響，合金發(fā)生再結(jié)晶，α 相發(fā)生了融合和長大。隨著熱處理溫度升高，α 相會發(fā)生相應(yīng)的長大。但在250 °C 時，α 相平均面積出現(xiàn)小于其他溫度的情況(圖4(a))，同樣在圖2(e) 中看到許多長約50 μm 的α 相。這是因為隨著溫度升高，α 相邊緣會出現(xiàn)缺口狀，會導(dǎo)致較長的α 相發(fā)生“熔斷”，導(dǎo)致α 相面積減少。中南大學(xué)劉強等[14]在對Mg-8Li-3Al-1Y 進(jìn)行300 和360 °C 高溫退火熱處理時，出現(xiàn)了明顯的熔斷現(xiàn)象，在較粗的α 相邊緣有“竹節(jié)狀”組織，這與本文推導(dǎo)溫度升高會導(dǎo)致α 相發(fā)生熔斷的結(jié)論是一致的。

α 相 形 狀 變 化 統(tǒng) 計 如 圖4(b) 所 示，α 相在150 和200 °C 的離心率變大，表明合金α 相在溫度不超過200 °C 時，因為熱效應(yīng)而發(fā)生長大，但并未或者極少發(fā)生球化效應(yīng)，這也導(dǎo)致α 相平均面積在熱處理后面積增加相對應(yīng)。而在溫度為250 °C 時發(fā)現(xiàn)離心率e有下降的趨勢，這也與α 相“熔斷”現(xiàn)象有關(guān)。所以如果溫度繼續(xù)升高，α 相球化現(xiàn)象會更加明顯。劉斌等[15]在200 和250 °C 熱處理Mg-9Li-Zn后α 相有增加的趨勢，而且在保溫一定時間后長條狀α 相會有逐漸球化的趨勢。

α/β 相轉(zhuǎn)變

根據(jù)鎂鋰合金的二元平衡相圖可以看出，隨著溫度升高，鎂鋰合金中的鎂元素在β 相中的溶解度降低，α 相不斷從β 相基體中析出。El-Salam 等[16]研究發(fā)現(xiàn)Li 在245 °C 時開始從基體向表面進(jìn)行擴散，當(dāng)溫度達(dá)到450 °C 時，Li 會在基體表面燒毀。而且因為Li 的晶界融化和晶界偏析問題，一些鎂鋰合金的均質(zhì)化退火熱處理不能使用較高的退火溫度[17]。而使用較低的熱處理溫度會影響其他合金元素擴散，降低均質(zhì)化質(zhì)量并導(dǎo)致均質(zhì)化時間過長。因此，本文通過不同溫度熱處理過程中α/β 相轉(zhuǎn)變情況來分析溫度對相轉(zhuǎn)變的影響。圖5 統(tǒng)計不同溫度下的α 相占比分析相轉(zhuǎn)變情況，可以看出在熱處理后α 相占比有所增長，且在250 °C 時占比達(dá)到最大。這是由于溫度升高出現(xiàn)α 相從β 相基體中析出和再結(jié)晶現(xiàn)象，α 相占比有所上升，而在250 °C時，由于溫度繼續(xù)升高有更多的再結(jié)晶和脫鋰現(xiàn)象促使α/β 相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致α 相占比增多。Chiang 等[18]和Leu 等[19]對Mg-11Li-X 合金高溫處理工藝的研究，發(fā)現(xiàn)α 相和第二相粒子會從β 相基體中析出，導(dǎo)致α 相增多。Peng 等[20]在進(jìn)行均勻化退火處理Mg-8Li-3Al-0.4Y 合金時發(fā)現(xiàn)在400 °C 保溫4 h后，脫鋰導(dǎo)致α 相析出的現(xiàn)象使α/β 相轉(zhuǎn)變更加劇烈，降低了合金的塑性，影響了合金的整體性能。而LA103Z 鎂鋰合金熱處理溫度在250 °C 以上時，會發(fā)生脫鋰現(xiàn)象導(dǎo)致雙向鎂鋰合金的性能發(fā)生下降，降低材料塑性；熱處理溫度在200 °C 時，α 相平均面積增多，而且占比增多，但“脫鋰”現(xiàn)象不明顯，因而此時LA103Z 鎂鋰合金的綜合性能好。

結(jié)束語

LA103Z 鎂鋰合金在經(jīng)過不同溫度熱處理后，合金中發(fā)生了α/β 相轉(zhuǎn)變以及β 相晶粒尺寸的變化，具體結(jié)論如下：

(1)不同溫度熱處理后α 相和β 相發(fā)生再結(jié)晶，其中α 相面積在熱處理后先增大后因“熔斷”現(xiàn)象變小，并且在250 °C 時出現(xiàn)球化現(xiàn)象；β 相晶粒隨熱處理溫度升高晶粒尺寸逐漸均勻并略微長大，而在250 °C 時，β 相晶粒出現(xiàn)粗大現(xiàn)象。

(2)鎂鋰合金在熱處理后，發(fā)生了α/β 相轉(zhuǎn)變，α 相占比有逐漸增加的趨勢。在250 °C 時由于更強的熱作用以及出現(xiàn)“脫鋰”現(xiàn)象，α 相占比增長較快，強度增加，但塑性降低。

(3)200 °C 熱處理后，β 相晶粒均勻化基本完成且無晶粒粗大現(xiàn)象，α 相平均面積大，占比較大且并未出現(xiàn)脫鋰現(xiàn)象，此時LA103Z 鎂鋰合金的綜合性能最佳。