Li元素對Mg94Y4Zn2長周期鎂合金組織與性能的影響

陳景愛，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

近年來，鎂合金強化的研究引人關注[1-3]。Mg-RE-Zn 合金中，長周期結構相的發現，極大地豐富了鎂合金的強化手段，此外，合金中添加Li 元素也被認為有助于提高鎂合金性能[4-6]。Kawamura[7]等通過快速凝固粉末冶金法制備出屈服強度高達600 MPa、延伸率達到5%的Mg97Y2Zn1鎂合金，他們還對此合金的微觀結構進行了深入的研究，發現合金具備高強韌性是由于合金中存在長周期堆垛有序結構（LPSO）。張景懷[8]等通過固溶處理制備出含長周期結構的高性能Mg-8Li-6Y-2Zn (w%)合金，合金性能的提高主要歸因于長周期結構相的形成。盡管人們對長周期結構和Li 強化鎂合金有了一定研究，但是對于Li 在長周期相的形成轉化過程中的作用，目前還鮮有報道。本文以Mg94-xY4Zn2Lix(a%)為研究對象，系統研究了Li 元素的添加對Mg-Y-Zn 合金的微觀結構以及力學性能的影響。

1 實驗材料與方法

在本研究中，兩組合金的名義成分分別為Mg94Y4Zn2(a%)和Mg89Y4Zn2Li5(a%)。合金以純單質Mg(w=99.99%)、Y(w=99.99%)、Zn(w=99.99%)和Li(w=99.99%)為原料，在以氬氣保護的電阻爐中進行熔煉，720 ℃澆注到經過預熱的鋼模具中。固溶處理在OTF-1200X 真空管式爐中進行，固溶處理時爐內充入少量氬氣，固溶溫度為500 ℃，時間為35 h。采用光學顯微鏡（Leica DM2500 M）對合金顯微組織進行觀察和取相，鑄態和固溶態合金顯微組織觀察前均采用2%硝酸酒精進行腐蝕。合金相組成分析，采用X-射線衍射儀(XRD,Y-2000)，選用靶材為Cu 靶，掃描范圍為20o～80o，掃描速度為0.02(o)/s。對合金的顯微組織和不同相成分的測定，采用了配有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM,JSU-6700F)。維氏硬度在HVS-1000A 維氏硬度計上測得的，載荷為10 g，加載時間為15 s。

2 實驗結果與分析

2.1 鑄態合金組織及分析

圖1 是鑄態Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn2Li5合 金的SEM 照片。這兩組合金均主要由黑色襯度的基體和灰色襯度的第二相組成，并且在Mg89Y4Zn2Li5合金中有少量白色襯度的相存在。在Mg94Y4Zn2合金中，枝晶粗大，第二相呈連續網狀分布于晶界處，并且有少量層片狀第二相存在，邊緣呈鋸齒狀突出，深入到基體中；而在Mg89Y4Zn2Li5合金中，枝晶細小，第二相區域明顯增多，并且邊緣整體較為光滑?？梢?，Li 的加入能夠促進鑄態合金中第二相的形成，并細化枝晶。

圖1 鑄態下兩組合金SEM照片及EDS分析結果

圖2 是兩組合金的XRD 圖譜。從XRD 圖譜可知，鑄態下兩組合金的特征峰主要來自于α-Mg 和Mg12YZn 相。此外，鑄態Mg89Y4Zn2Li5合金的XRD圖譜中還有較弱的(Mg,Zn)24Y5相的特征峰出現，并且(Mg,Zn)24Y5相的特征峰均出現較大角度的偏移，這說明固溶造成了較大的晶格畸變。鑄態下兩組合金EDS 分析結果如圖1 所示。EDS 結果表明，兩組合金的第二相成分基本相同，都富集Y、Zn 原子，并且第二相成分很接近文獻中的18R 型LPSO 相[9]。EDS 結果表明，白色襯度相化學成分為Mg-13.6%Y-11.5%Zn。有研究表明[10]，在M-Y 二元合金體系中會形成Mg24Y5共晶相。另外，也有文獻證明[8]，Mg-Li-Y-Zn 合金中有(Mg,Zn)24Y5共晶相的存在。因此，結合XRD 分析結果，可以確定黑色襯度基體為α-Mg，灰色襯度第二相為18R 型LPSO 相，白色襯度相為(Mg,Zn)24Y5共晶相。由于Li 元素無法進行EDS 檢測，所以這里沒有給出合金中Li 的含量，但從Mg-Li 二元合金相圖可知，當a(Li)小于18%時，Li 固溶于Mg 中。綜合XRD 和EDS 分析結果，鑄態下兩組合金主要由α-Mg 和18R 型LPSO 相組成，但由于Li 元素的加入，導致Mg89Y4Zn2Li5合金中出現少量的(Mg,Zn)24Y5共晶相。

圖2 Mg94Y4Zn2和 Mg89Y4Zn2Li5合金固溶處理前后XRD圖譜

2.2 固溶態合金組織及分析

圖3 為Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn2Li5合金經過固溶處理后的顯微組織照片。在Mg94Y4Zn2合金中，α-Mg 基體內部形成了大量方向性很強的精細條狀結構，并且是從邊緣向內部生長；而在Mg89Y4Zn2Li5合金中，α-Mg 基體邊緣較為光滑，但在α-Mg 基體內部出現了大量相互平行的精細條狀結構，并且貫穿于整個基體。綜合EDS 和XRD 分析結果可知，這種精細條狀結構為14H 型LPSO 相。先前有文獻報道，14H 型LPSO 相的形成主要有兩種方式：①在一定條件下，部分18R 型LPSO 相逐漸溶解，Y、Zn 原子在α-Mg 基體上擴散、富集，然后形成14H 型LPSO 相，即由18R 型LPSO 相逐漸轉變形成的[11]；②當過飽和的α-Mg 基體中富集大量Y、Zn 原子，且α-Mg 基體中存在層錯，這時14H 型LPSO 相便以沉淀形式析出[12]。很明顯，Mg94Y4Zn2合金中14H 型LPSO 相的形成屬于第一種方式，而Mg89Y4Zn2Li5合金中14H 型LPSO 相的形成屬于第二種方式。這說明Li 的加入，改變了Mg-Y-Zn合金中14H 型LPSO 相的形成方式。

2.3 力學性能及分析

兩組合金固溶處理前后各相的顯微硬度如表1所示。從結果可以看出，鑄態下兩組合金LPSO 相硬度基本相同，都在120 Hv0.01左右，并且比α-Mg基體硬度高出約40 Hv0.01。在測試顯微硬度時，LPSO 相壓痕的周圍沒有出現微裂紋，這表明LPSO相不是硬脆相。相反，LPSO 相能夠作為強化相提高合金的性能。另外，Mg89Y4Zn2Li5合金中α-Mg基體硬度要稍低于Mg94Y4Zn2合金中α-Mg 基體的硬度。這主要由于Li 元素的添加，使Mg 的c軸和a軸同時降低，并且c軸比a軸降低的快，所以導致c/a降低，因此使變形更加容易[13]，從而使基體硬度有所下降。經過固溶處理后，由于α-Mg 基體上14H 型LPSO 相的形成，使Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn2-Li5合金基體顯微硬度都有所提高，而Mg89Y4Zn2Li5合金基體硬度提高的更為明顯。從固溶強化理論可知，較大的原子半徑差會使晶格產生晶格畸變，使位錯滑移變得更難，而M g89Y4Z n2L i5合金經固溶處理 后，(Mg,Zn)24Y5共晶相的溶解使部分Y、Zn 原子重新固溶于基體，從而使基體強化效果更為明顯。

圖3 兩組合金固溶處理后合金的顯微組織照片

表1 兩組合金固溶處理前后各相顯微硬度

3 結論

（1）鑄態下，Mg94Y4Zn2合金是由α-Mg 和18R型LPSO 相組成，而Mg89Y4Zn2Li5合金由α-Mg、18R 型LPSO 相及少量的(Mg,Zn)24Y5共晶相組成。Li 元素的添加，促進了鑄態Mg89Y4Zn2Li5合金中18R 型LPSO 相的形成，同時細化枝晶。

（2）經過固溶處理后，Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn-2Li5合金基體上都有大量方向性很強的14H 型LPSO 相形成，但Li 元素的添加，使14H 型LPSO相以沉淀形式析出，而不是由18R 型LPSO 相逐漸轉變形成的。

（3）Li 元素的添加，使鑄態Mg89Y4Zn2Li5合金中α-Mg 基體的顯微硬度降低，但經過固溶處理后，14H 型LPSO 相的析出以及Y、Zn 原子的重新固溶強化作用，使基體的顯微硬度提高到89 Hv0.01。

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