Mg-1Gd(Nd)-0.6Zr鎂合金的顯微組織和力學(xué)性能

張文玉, 吳遠(yuǎn)志, 葉 拓, 杜偉肖, 劉先蘭, 趙龍飛, 吳元禎, 全 陽

(1. 湖南工學(xué)院 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中心, 湖南 衡陽 421002;2. 湖南工學(xué)院 智能制造與機械工程學(xué)院, 湖南 衡陽 421002;3. 湖南工學(xué)院 汽車零部件研究院, 湖南 衡陽 421002;4. 北京機科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司, 北京 100083)

鎂合金以其高比強度、比剛度等優(yōu)越性在航空航天、軍工、汽車及醫(yī)療等方面的應(yīng)用越來越廣泛[1-5],如QE22A合金用于飛機起落架外筒和輪彀;WE43、WE54等合金用于航空發(fā)動機齒輪箱、飛機的變速系統(tǒng);EZ33A、EK41、AE42等鎂合金用于汽車發(fā)動機、變速箱、氣缸蓋等部件。對于多種稀土元素及高稀土含量的鎂合金研究報道的比較多[6-12],而對于單個稀土元素及低稀土含量對鎂合金的影響報道的較少。本試驗以Mg-0.6Zr鎂合金為基礎(chǔ),分別加入Gd和Nd兩種稀土元素,對比研究Gd和Nd兩種稀土元素對Mg-0.6Zr鎂合金組織和性能的影響,探討重稀土元素(Gd)和輕稀土元素(Nd)在鎂合金中的作用機制,以滿足鎂合金在不同工程實踐中的需要。

1 試驗材料與方法

試驗采用純鎂錠(99.96%Mg,質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)和Mg-30%Zr、Mg-20%Gd、Mg-20%Nd中間合金為原材料,自行制備Mg-0.6Zr、Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金。熔煉前先進行烘干預(yù)熱,熔煉時,先把預(yù)熱好的鎂錠放入SG-9-10型電阻坩堝爐中升溫至650 ℃,待全部熔化后再升溫到720 ℃,根據(jù)合金成分的要求,分別加入中間合金,待熔化后再升溫至740 ℃,保溫20 min后攪拌1～2次,再降溫到720 ℃,靜置20 min后進行澆鑄,鑄錠尺寸為φ60 mm×150 mm。在熔煉過程中采用CO2和SF6混合氣體進行保護。鑄錠經(jīng)過均勻化退火后,在300 ℃進行擠壓塑性變形,擠壓比為16∶1,變形后直徑為φ15 mm。最后進行170 ℃×8 h時效處理。

不同狀態(tài)試樣經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后,采用POLYVAR- MET型光學(xué)顯微鏡(OM)進行顯微組織觀察,并用Sirion200 型掃描電鏡(SEM)進一步觀察和能譜分析。采用D/Max2500 X射線衍射儀進行物相分析,試樣尺寸為15 mm×15 mm ×5 mm,試驗條件為:CuKα輻射,電流28 mA,加速電壓36 kV,掃描范圍(2θ)為10°～80°,掃描速度10°/min,試驗溫度為室溫。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,采用CSS-44100型萬能電子拉伸試驗機進行力學(xué)性能測試,結(jié)果為3個平行試樣的平均值。

2 試驗分析與討論

2.1 鑄態(tài)鎂合金的顯微組織

圖1為鑄態(tài)Mg-0.6Zr、Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金的顯微組織?？梢钥闯?鑄態(tài)Mg-0.6Zr合金晶粒比較粗大,平均晶粒尺寸約為300 μm,晶界干凈清晰,如圖1(a)所示。加入稀土元素Gd和Nd后,合金的晶粒尺寸明顯變小,且晶內(nèi)和晶界上分布有少量的顆粒狀物相。Mg-1Gd-0.6Zr合金晶粒尺寸約為100 μm,如圖1(b)所示,Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金晶粒尺寸約為80 μm,如圖1(c)所示。在鎂合金中,Zr作為非均勻形核的結(jié)晶核心,增加單位體積晶核核心的數(shù)量,形核率提高,從而細(xì)化晶粒。稀土元素Gd、Nd與鎂的晶體結(jié)構(gòu)一樣,都屬于密排六方結(jié)構(gòu),一部分固溶于基體中,一部分富集在晶界,使晶粒進一步得到細(xì)化[1]。

圖1 鑄態(tài)鎂合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of the as-cast magnesium alloys(a) Mg-0.6Zr; (b) Mg-1Gd-0.6Zr; (c) Mg-1Nd-0.6Zr

圖2為Mg-Gd和Mg-Nd二元合金相圖[13]?？梢钥闯? Mg-Gd二元合金中存在4種二元化合物:Mg5Gd、Mg3Gd、Mg2Gd和MgGd。Mg-Nd二元合金中存在有Mg41Nd5、Mg3Nd、Mg2Nd和MgNd等多種第二相。根據(jù)試驗合金成分范圍可知,Mg5Gd相為Mg-1Gd-0.6Zr合金中的主要析出強化相,Mg41Nd5相為Mg-1Nd-0.6Zr合金中的主要析出強化相。

圖2 Mg-Gd(a)和Mg-Nd(b)二元鎂合金的相圖[13]Fig.2 Phase diagrams of the Mg-Gd(a) and Mg-Nd(b) binary magnesium alloys[13]

圖3為Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr合金的SEM圖和EDS分析結(jié)果?？梢钥闯?合金晶界和晶內(nèi)出現(xiàn)了含Gd、Nd的第二相化合物。Mg-1Gd-0.6Zr合金中,除了α-Mg固溶體外,還有少量的Mg5Gd相呈細(xì)小的顆粒狀(尺寸約1 μm)分布在晶界上,如圖3(a)所示。而Mg-1Nd-0.6Zr合金中,Mg-Nd化合物相呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形(尺寸約1 μm×5 μm)分布在晶界,如圖3(b)所示。由圖2可知,溶質(zhì)稀土元素Gd和Nd的平衡分配系數(shù)K<1,合金凝固時,Gd和Nd元素在固/液界面前沿發(fā)生偏析而富集在固/液界面前沿。晶界上偏聚的Gd和Nd元素抑制和阻斷枝晶的生長。

圖3 鑄態(tài)鎂合金的SEM圖及EDS分析結(jié)果Fig.3 SEM images and EDS analysis results of the as-cast magnesium alloys(a) Mg-1Gd-0.6Zr; (b) Mg-1Nd-0.6Zr

通過X射線衍射(XRD)圖譜(見圖4)可知,Mg-1Nd-0.6Zr合金中除了Mg41Nd5相衍射峰外,還出現(xiàn)了Mg12Nd相衍射峰。結(jié)合Mg-Nd-Zr三元合金相圖(見圖5)分析,Mg-1Nd-0.6Zr合金中只存在Mg41Nd5第二相。Wang等[14]研究指出,Mg-Nd合金中金屬化合物Mg12Nd的穩(wěn)定性最差,因此,相圖上沒有Mg12Nd相,但實際上還是可能在合金中存在的。Mg-1Gd-0.6Zr合金的XRD圖中沒有Mg5Gd的衍射峰,可能是由于Gd含量低,Mg5Gd相很少的緣故。

圖4 鑄態(tài)鎂合金的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of the as-cast magnesium alloys

圖5 Mg-Nd-Zr三元鎂合金相圖[12]Fig.5 Phase diagram of the Mg-Nd-Zr ternary magnesium alloy[12]

2.2 擠壓和時效鎂合金顯微組織

鎂合金在熱擠壓變形過程中,晶粒被擠壓、破碎,晶粒內(nèi)的位錯密度不斷增加,當(dāng)位錯密度增大到一定值時,產(chǎn)生應(yīng)力集中,驅(qū)動動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。因此,擠壓塑性變形使得合金晶粒進一步細(xì)化的同時,還形成了一部分晶粒更加細(xì)小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒[15]。Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金經(jīng)300 ℃擠壓后的顯微組織如圖6(a, c)所示。可以看出,Mg-1Gd-0.6Zr合金中有一部分尺寸較大的粗晶粒(橢圓標(biāo)記區(qū)域),尺寸為10～20 μm,還有一部分尺寸較小的再結(jié)晶細(xì)晶粒(方框標(biāo)記),尺寸約為1 μm。Mg-1Nd-0.6Zr合金中粗晶粒尺寸約為10 μm。

圖6 擠壓態(tài)(a, c)和時效態(tài)(b, d)鎂合金的顯微組織Fig.6 Microstructure of the as-extruded(a, c) and as-aged(b, d) magnesium alloys (a,b) Mg-1Gd-0.6Zr; (c,d) Mg-1Nd-0.6Zr

Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金經(jīng)170 ℃×8 h時效處理后的顯微組織如圖6(b, d)所示。根據(jù)文獻報道,Mg-Gd合金的時效析出序列[16-17]為:G.P.區(qū)→β″-Mg3Gd→β′-Mg7Gd→β-Mg5Gd。Mg-Nd合金的時效析出序列[1,18]為:棒狀G.P.區(qū)(共格) →β″相(D019型規(guī)劃結(jié)構(gòu))→β′相(Mg3Nd,fcc結(jié)果)→β相(Mg12Nd,bcc結(jié)果)。G.P.區(qū)和β″相都形成于約150 ℃,在較高的溫度下將析出β′相和β相。因此,在試驗條件下,由于溫度較高,且合金中的Gd和Nd含量較低,可能出現(xiàn)了β′相和β相。相比擠壓態(tài),時效態(tài)鎂合金晶粒雙峰特征更加明顯[19-20]。

2.3 鎂合金的力學(xué)性能

Mg-0.6Zr、Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金在鑄態(tài)、擠壓態(tài)和時效態(tài)的力學(xué)性能如圖7所示?？梢钥闯?一方面,合金成分不同,力學(xué)性能不一樣,鑄態(tài)、擠壓態(tài)和時效態(tài)Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率均最高,Mg-0.6Zr鎂合金的最低。另一方面,合金的狀態(tài)不同,力學(xué)性能不同,Mg-0.6Zr、Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率均呈時效態(tài)高于擠壓態(tài)、擠壓態(tài)高于鑄態(tài)的特征。時效態(tài)Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金的抗拉強度為201.71 MPa,比擠壓態(tài)高3.6%,比鑄態(tài)高23%,比時效態(tài)Mg-1Gd-0.6Zr鎂合金高2%;時效態(tài)Mg-1Nd-0.6Zr合金屈服強度為88.88 MPa,比擠壓態(tài)高14%,比鑄態(tài)高34%,比時效態(tài)Mg-1Gd-0.6Zr鎂合金高2%;時效態(tài)Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金伸長率為29.2%,比擠壓態(tài)高4.3%,比鑄態(tài)高46%,比時效態(tài)Mg-1Gd-0.6Zr鎂合金高15.4%。

圖7 三種不同狀態(tài)下鎂合金的力學(xué)性能(a)抗拉強度;(b)屈服強度;(c)伸長率Fig.7 Mechanical properties of the magnesium alloys under three different states (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

Mg-0.6Zr、Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金中分別含有釓(Gd)、釹(Nd)和鋯(Zr)等合金元素,化學(xué)成分的差異導(dǎo)致鎂合金在熱變形和時效過程中產(chǎn)生組織和性能的變化。這3種鎂合金在不同條件下的力學(xué)性能的變化可能存在以下幾方面的原因:①稀土元素對鎂合金的固溶強化作用。Mg、Gd和Nd的原子半徑分別為0.172、0.254和0.264 nm,由于原子半徑、電負(fù)性和價電子差異等因素(見表1)的影響,使得含Gd和Nd的鎂合金產(chǎn)生晶格畸變而引起固溶強化,強度都高于Mg-0.6Zr鎂合金。由于Nd原子半徑比Gd原子半徑大,與鎂原子半徑差異更大,固溶后造成的晶格畸變更大,固溶強化效果也更強,因此這3種鎂合金中,Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金的強度最高。②稀土元素有利于促進形核,細(xì)化晶粒。由圖2可知,稀土元素的溶質(zhì)分配系數(shù)K<1,因而合金在凝固過程中,稀土元素容易在固液界面的前端富集,一方面造成成分過冷,促進新的晶核的形成,形核率增大而形成細(xì)小的等軸晶組織,另一方面,晶界富集的稀土元素Gd和Nd以及晶界上形成的第二相Mg5Gd、Mg41Nd5和Mg12Nd等對晶界起到釘扎作用,阻礙α-Mg晶粒長大,細(xì)化了晶粒。由Hall-Petch公式可知,晶粒細(xì)化使得強度增加,ΔσGS=Kd-1/2,而鎂合金的晶粒尺寸(d)的敏感系數(shù)K值較大,因而合金的強度隨晶粒尺寸的細(xì)化而增加,Mg-1Nd-0.6Zr合金晶界上的Mg41Nd5和Mg12Nd相較多,晶粒細(xì)化效果比Mg-1Gd-0.6Zr鎂合金的好,因而強度高。③熱擠壓塑性變形的同時產(chǎn)生了動態(tài)再結(jié)晶,進一步使晶粒細(xì)化,形成了由變形晶粒和動態(tài)再結(jié)晶細(xì)晶粒組成的雙峰組織,提高合金強度的同時,塑性也得到提高。④產(chǎn)生了時效析出強化效果。由于時效析出過程中形成的雙峰組織更加顯著,因而強度和塑性得到提高。

表1 合金元素的性能參數(shù)

3 結(jié)論

1)鑄造Mg-1Gd-0.6Zr鎂合金的組織由α-Mg和Mg5Gd相構(gòu)成,顆粒狀的Mg5Gd相分布在晶界,平均晶粒尺寸約為100 μm。鑄造Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金的組織由α-Mg,Mg41Nd5和Mg12Nd相構(gòu)成,不規(guī)則形狀的Mg-Nd相分布在晶界,平均晶粒尺寸約為80 μm。

2) 在300 ℃進行擠壓塑性變形(擠壓比16∶1)后,合金發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。擠壓態(tài)Mg-1Gd-0.6Zr和Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金出現(xiàn)了由變形晶粒和動態(tài)再結(jié)晶晶粒構(gòu)成的雙峰組織。再經(jīng)170 ℃×8 h時效處理后,變形晶粒和動態(tài)再結(jié)晶晶粒構(gòu)成的雙峰組織更加突出。

3)時效態(tài)Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金的力學(xué)性能最好,抗拉強度為201.71 MPa,比擠壓態(tài)高3.6%,比鑄態(tài)高23%,比時效態(tài)Mg-1Gd-0.6Zr鎂合金高2%。時效態(tài)Mg-1Nd-0.6Zr鎂合金伸長率為29.2%,比擠壓態(tài)高4.3%,比鑄態(tài)高46%,比時效態(tài)Mg-1Gd-0.6Zr鎂合金高15.4%。稀土元素Gd、Nd的加入,使鎂合金的力學(xué)性能得到改善。