熱處理對Mg-Gd-Cu合金組織和性能的影響

賀 雷，柳 偉，宗喜梅，許春香，牛曉峰，張金山

（太原理工大學,山西太原 030024）

0 引言

稀土鎂合金除具有鎂合金的固有優點外，同時還兼具高溫強度高、抗蠕變性能優良及耐熱性能好等新特點，并具有良好的塑性和耐腐蝕性，在航空航天業應用中很有發展前景[1,2]。隨著對稀土鎂合金的深入研究發現，在Mg-RE-TM (RE=Y、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Tb，TM=Zn、Cu、Ni、Co) 及Mg-Al-Gd中能夠形成6H、10H、14H、18R 或24R 類型的長周期結構[3,4,5]。長周期堆垛有序結構(LPSO)作為鎂合金中的一種新型有效增強相，能顯著改善合金的強度和塑性，因而受到廣泛的關注。

2005 年Matsuura 等在快速凝固的條帶狀Mg98Y1Cu1合金中發現存在14H 長周期結構[6]，首次發現了Cu 元素也能參與到長周期結構的形成。2006 年Kawamura 等報道了在鑄態Mg97Y2Cu1合金中發現了18R 長周期結構，合金的屈服強度為120 MPa，抗拉強度為180 MPa，延伸率為3.5%，雖然合金的鑄態力學性能較差，但是和Mg-RE-Zn 合金相同，通過擠壓能夠極大地提高合金的力學性能[7]。鎂合金中添加Cu 元素，既能提高合金強度也能改善塑性[8]，但在含長周期結構的Mg-RE-Cu 研究中，目前主要側重于Mg-Y-Cu 合金，對Cu 參與到Mg-Gd 合金的長周期結構相中還未見報道。本文作者采用常規金屬型鑄造方法制備了Mg96Gd3Cu1(a%)合金，并對合金熱處理前后的長周期結構相變規律及力學性能進行了研究。

1 實驗步驟

合金的化學成分如表1 所示，合金熔煉的原料為 純Mg (w=99.99%)、純Gd (w=99.99%) 和 純Cu(w=99.99%)，在N2(φ=97.4%)和CH2FCF3(φ=2.6%)的混合氣體保護的坩堝電阻爐中進行熔煉。在1023 K (750℃)下保溫20 min，當溶液降至993 K (720℃)時在金屬鑄型中澆注成鑄錠。T4 和T6 處理均在SX2-8-10 箱型高溫電阻爐中進行，固溶處理溫度為753 K (480℃)，保溫時間為30 h，采用熱水水淬處理。T6 處理為固溶處理后在473 K (200℃)進行時效處理，保溫時間為50 h，也采用熱水水淬處理。

使用光學顯微鏡(Leica DM2500M)對鑄態和熱處理態合金的顯微組織進行觀察，觀察前用1%的硝酸酒精對合金進行腐蝕。物相組成分析使用X-射線衍射儀(XRD,DX-2700)，選用的靶材為Cu 靶。采用了配有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡對合金的顯微組織和相成分進行測定。使用DNS100型萬能試驗機對試樣進行力學性能測試。布氏硬度的測量使用HB-300 測試機，加載載荷為62.5 kg，時間為15 s。

表1 合金的化學成分 (w%)

2 結果與討論

2.1 合金的顯微組織

合金的鑄態、T4 態和T6 態的金相組織如圖1所示。圖1.a～c 為 鑄態、T4 和T6 態Mg96Gd3Zn1(a%)合金的金相顯微圖，圖1.d 為鑄態合金的背散射(BSE)顯微圖。

圖1 合金的鑄態、T4態和T6態金相組織

合金中均可觀察到明顯的枝晶。圖1.a 顯示鑄態合金由鎂基體和晶界處的第二相組成，合金中未觀察到Mg-Y-Zn，Mg-Gd-Zn 等合金中類似的網狀共晶組織。T4 和T6 態合金均由鎂基體、晶界處的灰色塊狀相及從塊狀相邊界向晶內生長的層片狀相組織。圖1.d 的背散射掃描圖顯示鑄態合金的第二相由兩種不同的相A 和相B 組成，它們屬于晶間偏析型離異共晶。

圖2 鑄態、T4態、T6態合金的XRD圖譜

圖2 為合金的XRD圖譜，鑄態合金的主要衍射峰對應的物相 為α-Mg、M g5G d 和LPSO 相(與已有研究的14H 長周期結構相Mg12YZn 衍射峰的位置相同)。T4 和T6 態合金的主要衍射峰對應的物相為α-Mg 和LPSO相，Mg5Gd 相的衍射峰變的很弱。說明在固溶處理的過程中Mg5Gd 相發生了溶解，而T6 態和T4 態相比，并沒有發生明顯相變。圖3 為T6 態合金低倍和高倍的SEM 組織圖片，如圖3.b 所示，晶界處有邊緣比較光滑的深灰色塊狀C 相，邊緣生長為層片狀的灰色D 相及分布在晶界和鎂基體內的亮白色小塊狀E 相。結合表2 中各相的EDS 成分分析可知，鑄態合金的A 相為Mg5Gd，B 相為14H 長周期結構的Mg88Gd5.8Cu6.2。T4、T6 態合金的C 相為Mg87.8Gd6.0Cu6.2，D 相為Mg91.7Gd6.4Cu1.9，E 相為富稀土相（常見于稀土鎂合金中，形貌一般為方塊狀[9]）。由于T4、T6 態合金的XRD 的相應峰只有α-Mg和LPSO 相，結合D相的層片狀形貌(長周期結構的典型形貌)，認為D相為固溶處理過程中析出的LPSO 相。C 相和B 相化學成分相近，這與14H 長周期結構相具有較高的穩定性相符，鑄態形成的LPSO 相在固溶處理前后形貌和成分未發生變化。固溶處理過程中，Mg5Gd 相逐漸發生溶解，由于晶界富集著溶質原子，晶界與晶內存在著濃度差，新的LPSO 相首先在晶界處形核，伴隨著固溶處理過程，生成長周期結構的Mg91.7Gd6.4Cu1.9相。

圖3 T6態合金的低倍和高倍掃描組織圖片

2.2 合金的力學性能

圖4 顯示了鑄態、T4 態和T6 態合金的抗拉強度、布氏硬度和伸長率。

鑄態合金的抗拉強度、伸長率和布氏硬度均最低，大約為145 MPa、2%和87.2 HB。固溶處理以后，合金的抗拉強度和伸長率均有所提高，分別為161 MPa 和2.6%，但布氏硬度略有下降，為86.3 HB。這是由于Mg5Gd 是一種硬脆相，且高溫穩定性不夠高，而LPSO 相屬于強韌相，固溶處理后生成層片狀的LPSO 相既相當于增加了合金中LPSO 相的體積分數，又增加了鎂基體與LPSO 相之間界面的數量，Shao 等認為新形成的界面可以成為位錯運動的阻礙，從而利于合金性能的提高[10]。長周期結構相的層片狀結構在位錯移動時能夠形成位錯平面塞積群，當造成的應力集中夠大時，才會引起基體的塑性變形，而且層片狀長周期結構也可以發生彎曲變形吸收位錯，表現出一定的變形能力，所以對合金的強度和塑性都有利。但較高溫度的固溶處理使合金晶粒粗化，根據Hall-Petch 公式，晶粒的粗化使得合金的布氏硬度降低。T6 態合金的綜合性能得到較大的提高，相比于鑄態合金，抗拉強度、伸長率和布氏硬度分別增加了87 MPa、1.4%和20.8 HB。已有研究表明T6 處理時Mg-RE 合金中能夠形成細小彌散的β 相（由于含量較少，本文XRD 圖譜中并沒有出現明顯相應的衍射峰），它具有顯著的時效硬化效果[11]，可以作為強化相強化。而且固溶后的合金經過較長時間的時效后，合金的強化相能夠更好的分布于基體中，使合金的固溶強化和彌散強化得到充分的發揮，因此T6 態合金表現出較好的綜合性能。

表2 合金中不同相的化學成分組成

3 結論

(1)鑄態Mg96Gd3Cu1(a%)合金即存在14H 長周期結構相，T4 態和T6 態合金中有新的層片狀Mg92Gd6Cu2長周期結構形成。

圖4 鑄態、T4態和T6態合金的抗拉強度、布氏硬度和伸長率

(2)鑄態合金中的14H 長周期結構相具有較高的穩定性，在固溶處理過程中形貌和成分未發生變化。Mg5Gd 相在固溶處理時發生溶解，并在相應位置析出層片狀結構的長周期結構相從而提高了合金的性能。

(3)T6 處理后由于長周期相和時效硬化的復合作用，T6 態合金的抗拉強度、伸長率和布氏硬度分別達到232 MPa、3.4%和108 HB。

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