二次變形對擠壓Mg-6Gd-3.2Y-xZn-0.5Zr顯微組織及力學性能的影響

鄭梁，劉楚明，王洪海，王松濤，萬迎春，王霄，陳志永

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中國空空導彈研究院，河南 洛陽，471009；3. 哈爾濱理工大學 機械與動力工程學院，黑龍江 哈爾濱，150080)

稀土鎂合金因其具有低密度、優良的室溫和高溫強度而受到廣泛關注[1?6]。但是，鎂合金較差的延展性極大地限制了其應用，合金化和塑性變形是改善鎂合金力學性能的有效途徑，Gd，Y，Zn等元素是鎂合金中常見的添加元素，前人在合金化方面進行了大量的研究。Peng等[7]通過研究發現Y元素可以細化Mg-7Gd合金晶粒，增加 Mg5(Gd,Y)相的數量，促進合金的時效強化行為，從而提高合金的力學性能。在Mg-Gd-RE(RE 代表Nd和 Y)合金中，β″相和β′相都起到時效強化的作用。在時效初期起強化作用是β″相，隨著時效時間的延長，β″逐漸消失，取而代之的是β′相，而β′相對合金的強化作用更大[8?10]。Nie 等[11]通過研究發現 Zn元素能夠提高 Mg-6Gd-0.6Zr的力學性能，當Zn元素質量分數為1%時，合金的時效強化效果最明顯[12]。Itoi等[13]在鑄態 Mg-Zn-Y 合金中發現18R型長周期結構，在500 ℃均勻化時轉變成14H型。Yamasaki等[14]研制出的熱擠壓Mg-2.3Zn-14Gd合金在時效過程中會析出一種14H長周期有序堆垛結構，使合金具有較高的屈服強度(345 MPa)和較高的伸長率(6.3%)。Honma 等[15]對 Mg-2.0Gd-1.2Y-1.0Zn-0.2Zr合金在225 ℃下的時效行為進行了研究，發現Zn元素能夠促進β1相和長周期結構的析出，降低合金系的能量，從而提高合金的伸長率。Hou等[16]發現Mg-6.5Gd-1.3Nd-0.7Y-0.3Zn合金擠壓板材時效后，室溫抗拉強度和伸長率分別達到310 MPa和5.8%；300 ℃下抗拉強度和伸長率分別達到173 MPa和25%。然而，以往的對鎂合金塑性變形的研究都限于一種變形手段，沒有將不同變形方式相結合進行研究，為此，本文作者在Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金系的基礎上探索合金元素和二次變形對合金擠壓板材組織、時效強化行為及力學性能的影響。

1 實驗

合金實測成分見表 1。采用電阻爐熔煉，所用原料為純 Mg(＞99.6%)，純 Zn(＞99.9%)Mg-30Gd，Mg-30Y和Mg-30Zr。在750～780 ℃加入中間合金，在熔煉過程中采用V(CO2):V(SF6)=99:1保護。采用金屬模在725 ℃澆注成直徑為65 mm的鑄錠。

鑄錠在500 ℃下均勻化處理(樣品A均勻化處理時間為4 h；樣品B，C和D均勻化處理時間為30 h)，之后加工成直徑為58 mm的圓錠，在450 ℃下預熱30 min后擠壓成寬40 mm、厚5.8 mm的板材，擠壓比為11。部分擠壓后的板材在500 ℃下2道次熱軋到4.6 mm后空冷，熱軋方向沿擠壓方向，壓下率為21%。變形后的樣品在200 ℃時效熱處理。

拉伸試驗在CSS44100 電子萬能拉伸試驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min，拉伸方向沿變形軸向。硬度測試在 HVS?1000S數顯顯微硬度計上測量，載荷為4.9 N，加載時間為15 s。合金微觀結構利用萊卡金相顯微鏡、Sirion200場發射掃描電子顯微鏡(SEM)進行分析，電壓為15 kV。合金金相樣品經機械拋光后采用6 g苦味酸+40 mL乙酸+40 mL水+100 mL乙醇的溶液侵蝕。透射形貌和高分辨透射形貌在 JEM2100F透射電子顯微鏡下觀察，加速電壓為200 kV。透射樣品采用氬離子減薄技術制備。物相在D/Max2500 X線衍射儀(電壓為 36 kV，掃描速度為 2 (°)/min)和GENESIS?60S能譜儀上分析，電壓為15 kV。

2 實驗結果與討論

2.1 Mg-6Gd-3.2Y-xZn-0.5Zr合金的顯微組織

圖 1所示為擠壓態和擠壓+軋制態樣品縱截面的金相形貌。由圖1可知：擠壓態合金都發生了動態再結晶，晶粒細小，但是，含Zn的合金晶粒更加細小。含Zn的合金中都形成了LPSO結構，隨著Zn含量的增加，LPSO結構的形態發生了明顯的變化，B合金(Zn含量(質量分數，下同)為0.7%)中的LPSO結構在晶粒內部內呈針狀分布，C和 D合金(Zn含量為 1.4%和2.3%)中的絕大部分LPSO結構在晶界上呈塊狀分布，少量的在晶內呈針狀。隨著 Zn含量的增加，合金的晶粒粒徑逐漸減小，但是，當Zn含量增加到1.4%后，晶粒粒徑不再隨Zn含量增加而減小。4種合金軋制后晶粒都沿軋制方向有一定程度的拉長，A樣品軋制變形后晶粒明顯長大，B，C和D樣品軋制后晶粒長大不明顯，這主要是因為 LPSO 結構能夠抑制晶粒長大，而且塊狀結構比針狀結構對晶粒長大的抑制作用更加明顯。

根據D樣品擠壓狀態的橫截面掃描形貌及LPSO結構線掃描結果(圖 2(a)和(b))可知：LPSO 結構富含RE和Zn。D樣品擠壓狀態的縱截面掃描形貌(圖2(c))表明：LPSO結構沿擠壓方向形成流線組織，分布在晶界處，極大地阻礙了晶粒長大。LPSO結構的能譜結果(圖2(d))表明：其成分為Mg-3.7Gd-2.5Y-4.4Zn，這與 Itoi等[13]的研究結果一致，此成分與Mg12(GdY)Zn復合相的成分非常接近。

圖2 D合金擠壓樣品的掃描電鏡形貌及LPSO結構的能譜分析和線掃描分析結果Fig.2 SEM images of as-extruded specimen D and EDS analysis of LPSO structure

圖3 合金在200 ℃的時效曲線Fig.3 Aging hardening curves

圖3所示為不同狀態合金在200 ℃的時效曲線，由圖3可知：與不含Zn的合金A相比，含Zn的合金B，C和D擠壓態和擠壓+軋制態的硬度都高于合金A的硬度，這預示著B，C和D合金的力學性能優于合金A的力學性能。在時效過程中，B，C和D合金硬度隨Zn含量增加緩慢增加，時效峰延后，并且峰值硬度下降。這是由于Zn元素和RE(Gd和Y)元素形成Mg12(GdY)Zn，使基體中過飽和溶質原子減少，所以，析出相減少。與擠壓樣品相比，擠壓+軋制樣品的時效峰提前，這主要由2個原因造成：(1) 在軋制過程中產生了較大的殘余應力，這會使時效過程中原子的擴散加快，從而導致析出速度加快；(2) 由于軋制溫度較高，從而使沉淀相在高溫下析出，從而影響隨后的時效過程，并且高溫下析出的相比較粗大，從而導致隨后時效峰值硬度較擠壓態合金時效峰值硬度小。

圖4所示為合金A(圖4(a))與合金C(圖4(b))擠壓態和T10態的XRD結果。擠壓態合金A由α-Mg和Mg24(GdY)52個相組成，而在T10態合金A的衍射譜中出現了Mg5(GdY)相的衍射峰；擠壓態的合金C由α-Mg，Mg24(GdY)5和Mg12Zn(YGd) 3個相組成，T10態的合金C的衍射譜中也出現了Mg5(GdY)相的衍射峰。與擠壓樣品相比，Mg5(GdY)相是時效態樣品中特有的；與A樣品相比，Mg12Zn(YGd)相是含有Zn元素的合金所特有的。

2.2 Mg-6Gd-3.2Y-xZn-0.5Zr合金的力學性能

圖5所示為不同狀態合金的拉伸應力應變曲線。從圖5可見：擠壓態合金的屈服強度和抗拉強度均隨Zn含量的增加而提高，但是伸長率卻有所下降。擠壓板材經過熱軋后，強度有較大的提高，這主要是由于軋制過程中產生了加工硬化，擠壓態合金A經過軋制后伸長率有較大下降，而合金B，C和D的伸長率下降都不明顯，合金D的伸長率與擠壓態相比幾乎沒有降低，這是由于LPSO結構能協調變形，從而提高合金的伸長率，這說明LPSO結構能夠提高合金的二次變形能力，并使二次變形后的合金具有優異的力學性能。擠壓態合金經過時效后，強度都有一定提高，擠壓態的合金B經過時效后抗拉強度提高到390 MPa，遠高于合金A，但是，隨 Zn含量繼續增加，合金的時效強化效果減弱。由于合金B中的LPSO結構絕大部分都是在晶粒內部呈針狀分布，較大程度影響了過飽和固溶體的分解，使析出相更加彌散細小。而合金C和D中，LPSO結構呈塊狀分布在晶界，并且消耗了較多的RE元素，使合金的時效強化效果減弱，但是，塊狀分布的LPSO結構使合金具有較高的伸長率。擠壓+熱軋的合金在 200 ℃時效后，獲得了最高的屈服強度和抗拉強度，合金B和C的屈服強度達到360 MPa以上，抗拉強度達到400 MPa以上。各種狀態合金的力學性能見表2。

(a) 合金A；(b) 合金C

表2 合金的拉伸力學性能Table 2 Tensile mechanical properties of alloys in different conditions

圖5 不同狀態下合金的拉伸應力?應變曲線Fig.5 Nominal stress?stain curves of alloys in different conditions

圖6所示為不同變形狀態B和D合金時效后的透射形貌。其中，圖6(a)和(b)所示分別是A樣品T5態和T10態的透射形貌。從圖6可以看出：T10態中析出相的尺寸明顯比 T5態合金的小，而且其分布也更加彌散。圖6(c)和(d)表明C合金T10態中的析出相尺寸也遠比T5態的小，并且分布比T5態更加分散。這就是T10態合金的屈服強度和抗拉強度比T50態合金高的原因。對比A和C合金的透射電鏡形貌可以發現：LPSO對析出相的分布也有較大影響，β′相在針狀LPSO結構之間析出，這使得β′相更加彌散，從而使合金的拉伸力學性能得到大幅度提高。圖 6(e)所示為β′相的高分辨形貌，從圖6(e)可以看出：β′相與基體呈共格關系，根據選區電子衍射斑可以看出：β′的斑點出現在和處，這是典型的具有bco(base-centered orthorhombic)結構的β′相的Mg-RE合金衍射特征，且β′相 的 晶 格 參 數 為 ：a=2×aα-Mg=0.64 nm ，相和基體的取向關系為：和

圖6 合金的透射形貌及相應衍射斑Fig.6 TEM images and corresponding selected area diffraction patterns

3 結論

(1) 在Mg-Gd-Y-Zr系合金中加入Zn元素能夠形成LPSO組織，這種組織以塊狀和針狀2種形式存在。其中，塊狀LPSO組織能夠細化擠壓態合金的晶粒，提高合金的二次成形能力，并同時改善合金的拉伸力學性能；針狀LPSO組織對變形合金的時效強化行為產生有利的影響，減小析出相的尺寸，并使其彌散分布，從而提高T5和T10態合金的拉伸力學性能。

(2) 二次變形(擠壓+熱軋)使擠壓板材合金的晶粒沿軋制方向拉長，并提高合金的力學性能。二次變形能夠加快合金強化相得析出，使時效峰提前，從而可以使生產效率提高；二次變形使β′相尺寸更小，分布更加彌散，從而提高合金的拉伸力學性能，Zn含量為1.4%的合金經二次變形后再時效，其屈服強度達到375 MPa，抗拉強度達到420 MPa。

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