擠壓溫度對Mg-3Zn-2.5Al-2.5Ca合金的微觀組織和力學性能的影響*

陳鼎，章凱，董鵬，陳振華

(湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082)

擠壓溫度對Mg-3Zn-2.5Al-2.5Ca合金的微觀組織和力學性能的影響*

陳鼎?，章凱，董鵬，陳振華

(湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082)

采用金相分析、掃描電鏡分析、X射線衍射分析和拉伸測試等方法研究了不同擠壓溫度對Mg-3Zn-2.5Al-2.5Ca(ZAC333)合金的微觀組織和力學性能的影響.結果表明,鑄態組織的平均晶粒尺寸為185 μm；隨著擠壓溫度從623 K降低到523 K，由于發生了明顯的動態再結晶，合金的平均晶粒尺寸從6.32 μm減小到3.36 μm.ZAC333鑄態合金中沿著晶界分布的半連續Al2Ca和連續Ca2Mg6Zn3第2相在熱擠壓過程中也發生了明顯的破碎而沿著擠壓方向分布.與鑄態合金的力學性能相比，擠壓態ZAC333合金的力學性能有明顯的提高.擠壓態合金的抗拉和屈服強度分別從176 MPa和284 MPa提高到292 MPa和334 MPa，而延伸率從18%降低到9%.ZAC333合金性能的改善主要歸功于熱擠壓過程中的動態再結晶細晶強化和第2相粒子破碎而產生細化彌散強化的共同作用.

ZAC333合金；擠壓溫度；動態再結晶；第二相;力學性能

鎂是自然界中最輕的金屬之一，具有良好的阻尼性能.它的合金具有低密度、高比強度和剛度的優點[1-4].鎂合金作為一種輕金屬結構材料，在航天航空、汽車、電子產品等領域有廣泛的應用前景.金屬鎂是一種密排六方結構脆性金屬，相比于傳統金屬鐵、鋁和銅合金，鎂合金的強度、剛度和塑性鉸差，嚴重限制其發展和應用.所以，提高鎂合金的強度和塑性是成為材料領域研究的熱點之一[1-6].

提高鎂合金性能的主要途徑有微合金化和改進變形工藝[2-5].Al,Zn和Ca是自然界含量比較豐富又相對廉價的金屬，所以通過添加這些金屬來改善鎂的力學性能成為材料領域的熱點，并由此開發出Mg-Al-Zn，Mg-Al-Ca,Mg-Zn-Ca等一系列鎂合金.特別是含Ca的鎂合金往往含有耐高溫第2相(Mg,Al)2Ca,Mg2Ca,Al2Ca,Ca2Mg6等.Suresh等人[7]研究Mg-3Al-1Zn-Ca合金熱鍛造行為.Yu等人[8]通過擠壓Mg-8Zn-4Al-xCa(x=0.6，1.0，1.3)合金制備鎂管，結果表明Mg-Zn-Al-Ca合金具有較好的室溫和高溫力學性能.Jiang等人[9]研究了Al2Ca相能改善Mg-Al-Ca合金的微觀組織以及提高合金力學性能.擠壓變形工藝是一種操作更加簡單、成本更加低的變形工藝[3-5].擠壓主要是通過改進擠壓工藝(擠壓溫度、速度、擠壓比等)來提高鎂合金的力學性能.Park等人[4]研究不同擠壓工藝條件下的Mg-3Al-1Zn合金，結果表明溫度越低合金晶越細、強度越高.Li等人[3]研究了不同擠壓溫度條件下的Mg-3Zn-0.2Ca-0.5Y合金，擠壓溫度通過影響動態在結晶而細化晶粒以及第2相粒子的破碎和分布等，而改善合金的力學性能.本課題組與美國波音公司開展關于低成本、高性能鎂合金在飛機上運用項目的合作，在項目前期研究了不同Ca/Al比對Mg-Al-Ca合金的微觀組織和力學性能的影響.本論文在此基礎進一步通過添加廉價合金元素Zn和半連續水冷鑄造法制備ZAC333合金以及改進擠壓工藝參數來改善合金的微觀組織、提高其力學性能以及降低生產成本進行了研究.

1 試驗方法

采用純鎂(99.9%)、純鋁(99.9%)、純鋅(99.9%)、Mg-25wt%Ca中間合金配制名義成分為Mg-3Zn-2.5Al-2.5Ca(ZAC333)合金.合金中加入0.4%錳以降低雜質元素(鐵、鎳、銅等)的有害作用.選用RJ-2號溶劑作為熔煉劑和覆蓋劑，氬氣作為保護氣體.將配制好的原材料金屬放到干凈的坩堝加熱到1 033 K直至熔融.然后攪拌金屬熔體使其均勻、扒渣處理并且加入覆蓋劑進行精煉.最后將溫度降低到993 K靜置10 min后，采用水冷半連續鑄造方法進行澆鑄.獲得直徑和長度分別為185 mm和1 000 mm的鑄錠，并車去其氧化層至直徑為170 mm.通過熒光光譜法測得ZAC333合金的實際成分(質量分數)為Mg-2.98%Zn-2.5%Al-2.3%Ca.

從制備的鑄錠上切取3個長度均為240 mm的短錠放入溫度為693 K的箱式電阻爐中，加熱12 h進行均勻化處理.按照設定的3個擠壓溫度在1 250 t臥式擠壓機上進行擠壓，擠壓比為 16∶1，擠壓速度為0.5 m/min.擠壓前將擠壓筒、擠壓墊片、鎂錠在對應的擠壓溫度下進行預熱.采用石墨和潤滑油的混合物作為擠壓過程中的潤滑劑以獲得表面質量完好的擠壓棒.

用于觀察金相和微觀組織的試樣鑄錠和擠壓棒的正中間切取，經過鑲樣、預磨、拋光后.采用配比為0.3 g苦味酸+1 mL醋酸+10 mL乙醇+1.5 mL去離子水的溶液進行腐蝕.用XJP-6A型立式光學顯微鏡進行金相觀察，晶粒大小用穿晶法測量，動態再結晶體積分數用Image-Pro Plus軟件進行統計和計算得到.在FEI Quanta2000掃描電鏡上進行微觀組織分析.用X射線衍射儀進行合金的相分析.采用電火花的方法從鑄錠和擠壓棒的正中央切取尺寸為85 mm×16 mm×2 mm(長×寬×厚)的拉伸試樣.常溫拉伸試驗在美國Instron 3369萬能試驗機上進行.

2 結果分析與討論

2.1 合金的鑄態組織

圖1是鑄態ZAC333合金的金相組織和掃描電鏡形貌.由圖1(a)可見，鑄態ZAC33合金的基體金相組織為典型的樹枝狀結構粗晶α-Mg.這是因為固溶Ca的擴散速率非常低，導致固液界面前沿擴散[10-11]層成分過冷而形成.粗晶α-Mg的晶粒尺寸大約是185 μm.而通過圖1(b)所示合金的描電鏡微觀組織可知，ZAC333鑄態合金組織中除了含有α-Mg以外，沿著粗晶的晶界存在網狀結構的的第2相.研究表明，當溫度為789.5 K時，Ca元素在Mg基體中最大溶解度僅為0.82%，而常溫下，Ca元素在Mg金屬里面的溶解度不超過0.2%.因此ZAC333合金中肯定存在含Ca中間相.由圖2所示合金的XRD圖譜分析可知，這些第2相可能是熱穩定Al2Ca和Ca2Mg6Zn3. 圖1(e)，(f)是合金形貌圖中相應區域的能譜，通過分析可知，圖1(c)中的連續網狀結構和圖1(d)中的連續結構分別為Al2Ca和Ca2Mg6Zn3相.Suresh[7]等人在研究Mg-3Al-1Zn-2Ca合金的熱鍛造變形時，也發現這些相.

圖1 合金的金相組織、SEM圖像和EDS分析結果 (a-OM；b,c,d-SEM；e,f-EDS)Fig.1 OM,SEM images and EDS result of the as-cast alloy

圖2 合金的XRD圖譜Fig.2 The XRD patterns of the as-cast alloy

2.2 擠壓溫度對ZAC333合金微觀組織的影響

圖3是ZAC333合金在溫度為523 K,573 K,623 K擠壓后的金相和掃描電鏡的微觀組織.結果表明，經過熱擠壓后，合金的微觀組織發生了明顯的改善.圖3(a),(b)和(c)中金相組織分析表明擠壓態ZAC333合金的晶粒相對鑄態合金組織明顯發生了細化，并出現了雙峰結構：一部分是動態再結晶細晶，另外一部分是沿著擠壓方向的長條狀未發生動態再結晶的粗晶組織.ZAC333擠壓態合金的平均晶粒尺寸隨著擠壓溫度的升高而變大，分別是3.36 μm,4.64 μm,6.32 μm.通過Image-Pro Plus統計計算得到不同擠壓溫度條件下合金中動態再結晶的體積分數大約分別是81.5%，88.6%，93.6%.所以，合金在623 K擠壓時進行比較完全的動態再結晶.圖3(d)，(e)，(f)中灰色色部分是鎂基體，白色區域為在擠壓過程中被破碎而沿擠壓方向彌散分布的第2相粒子.這些第2相粒子是熱穩定的Al2Ca和Ca2Mg6Zn3[12-14].圖4為通過XRD測的不同擠壓溫度條件下合金的(0002)極圖，結果表明，ZAC333合金沿著擠壓方向具有典型(0002)基面織構.隨著擠壓溫度的降低，合金沿擠壓方向的織構密度增加.

熱擠壓過程中，影響晶粒尺寸的主要因素有變形溫度和第2相粒子.進一步的研究表明，動態再結晶的晶粒尺寸受應變速率和變形溫度的影響.動態再結晶的晶粒尺寸與齊納-霍爾蒙(Zener-Hollomon)參數(Z參數)密切相關[3]：

A=Zdm

(1)

圖3 不同溫度下擠壓態合金的金相組織和SEM圖像(a,d-523 K；b,e-573 K；c,f-623 K)Fig.3 OM and SEM images of the as-extruded alloy at different temperature

圖4 XRD測得不同擠壓溫度擠壓態合金的(0002)極圖(a-523 K；b-573 K；c-623 K)Fig.4 The (0002) pole figures of as-extruded at different temperatures

(2)

式中：A是常數，是應變速率；Q是占主導地位的擴散激活能(鎂合金為135 kJ/mol)；T是絕對溫度；R是氣體常數.擠壓工藝的等效應變速率可以根據Feltham方程計算[3-4]：

(3)

式中：VR是擠壓速度；E是擠壓比；DB和DE分別是鎂錠擠壓前后的直徑.因本文主要研究擠壓溫度對ZAC333合金的影響，所以，式中的擠壓速率、初始鎂錠直徑和擠壓后鎂棒的直徑是恒定不變的.由此可知，這里的等效應變速率是恒定不變，擠壓溫度才是擠壓工藝唯一的變量參數.根據式(2)，齊納-霍爾蒙參數Z正比于exp(1/T).因此，式(1)和(2)可以改寫為：

(4)

(5)

將式(5)代入式(4)，可以得到：

(6)

所以，根據式(6)可知，動態再結晶的晶粒尺寸隨擠壓溫度的升高而增大，與實驗結果相符合.

熱擠壓過程中，第2相粒子主要通過兩個方面影響合金熱變形過程中的動態再結晶行為.一方面是他們可以作為動態再結晶的形核點，誘導形核而促進動態再結晶形核.另外一方面，他們能夠分布在晶界上產生釘扎效應.第2相顆粒既能夠促進動態再結晶也能抑制動態再結晶，主要依據他們的尺寸、形貌、體積分數等[5-6].如圖5所示ZAC333合金的動態再結晶區域出現了白色的第2相粒子，并且這些粒子周圍的晶粒較細.說明這些第2相粒子作為熱擠壓變形過程中的形核點通過顆粒誘導(PSN)促進動態再結晶[4-5].

(a)523 K (b)573 K (c)623 K圖5 擠壓態合金高倍SEM圖像Fig.5 The high amplification SEM of the as-extruded alloy

2.3 擠壓溫度對ZAC333合金力學性能的影響

圖6 鑄態和擠壓態合金的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of the as-cast and as-extruded alloy

圖6是ZAC333合金鑄態和擠壓態合金的常溫拉伸應力-應變曲線.表1所示為該合金的鑄態和擠壓態平均晶粒尺寸、抗拉強度、屈服強度和延伸率.結果表明，ZAC333合金經過熱擠壓后，微觀組織和常溫力學性能得到了明顯的改善.隨著擠壓溫度的升高，擠壓態合金的抗拉強度、屈服強度減小.抗拉強度和屈服強度的最大值、最小值分別是334 MPa和264 MPa，屈服強度的最大值、最小值分別是292 MPa和176 MPa.然而合金的伸長率減小，由20%降低到9%.Mo等人[6]通過不同的擠壓鑄造工藝參數制備的Mg-12Zn-4Al-0.5Ca合金的抗拉強度最大僅為205 MPa,延伸率最大為16%.Zhang等人[15]通過與Mo相同的方法制備AZ91-D合金的最大抗拉強度為180 MPa.另外，Xie等人[16]在研究Ca(0.7%，2%)元素對AZ113的影響時，通過大擠壓比25∶1得到的合金抗拉強度也才335 MPa.由此可知，擠壓態ZAC333合金具有良好的力學性能.

表1 不同狀態合金的晶粒尺寸和拉伸力學性能Tab.1 The grain size and tensile properties of theas-cast and as-extruded alloy

ZAC333合金熱擠壓過程中強度提高的主要強化機制有兩種：細晶強化和第2相粒子強化.晶粒尺寸對合金力學性能影響主要依據霍爾-佩奇公式[9].霍爾-佩奇公式可以描述為:

σy=σ0+kd-1/2

(7)

式中：σ0是合金變形前的初始屈服強度強度，σy是變形后的屈服強度，k是材料參數，d是變形后的平均晶粒尺寸.顯然，金屬的強度與晶粒 尺寸成反比.由表1可知，隨著擠壓溫度升高,ZAC333合金的晶粒尺寸增大而強度減小，符合霍爾-佩奇公式.所以，該合金在熱擠壓過程中發生細晶強化.

第2相粒子是影響合金強度的另外一個關鍵參數.主要是第2相粒子的尺寸、形貌、體積分數、分布等.第2相粒子越細、分布越均勻，則合金的強度越高.然而，第2相粒子在晶界上導致晶粒之間的連續性降低，反而降低合金的強度.Al2Ca，Ca2Mg6Zn3相粒子是熱穩定相，塑性變形過程中不會被位錯剪切，其強化機制符合奧羅萬(Orowan)強化機制[10].熱擠壓時ZAC333合金中的Al2Ca，Ca2Mg6Zn3發生了擠壓破碎并分布在晶界，而且隨著擠壓溫度的升高，第2相粒子越細.這些第2相粒子不僅在動態再結晶時起到細化晶粒的作用，而且能夠阻礙位錯的運動而產生釘扎效應以及阻礙晶界的遷移而提高金屬的強度[1-5].第2相粒子的這一強化機制可以簡單歸納為：首先，ZAC333合金中的細顆粒阻礙位錯的運動，導致擠壓變形過程中位錯的堆積，高密度位錯加快動態結晶.同時，細顆粒被破脆.最后，這些第2相細顆粒阻礙了動態再結晶晶粒的長大.

眾所周知，普通密排六方金屬常溫下只有很少的滑移系，塑性變形能力很差[3].圖6中的應力-應變曲線表明ZAC333合金的塑性能夠通過適當的熱擠壓工藝得到改善.當擠壓溫度升高到623 K時，該合金的斷后延伸率可以達到20%，是鑄態合金的100倍.與合金的強度相比較，合金的延展性隨著擠壓溫度的升高而增加，主要歸功于晶粒細化、織構的弱化以及熱變形過程中基面滑移系統的開啟[17].研究表明，鎂合金中織構形成會導致沿該方向的強度增加，而塑性降低[17-18].實驗結果表明，隨著擠壓溫度的升高，ZAC333合金沿擠壓方向的(0002)基面織構減弱，合金的強度降低，塑性升高.室溫下，單晶Mg非基面滑移系的臨界剪切應力大約是棱柱面和棱錐面上的滑移系的100倍，因此非基面滑移系很難開啟[3-9].熱擠壓過程隨著晶粒細化，多晶鎂的晶界協調能力和非基面的位錯交滑移發生在低的屈服各向異性值，非基面滑移系被激活[13-14].因此，隨著擠壓溫度的升高，ZAC333合金中的動態再結晶細晶粒增多使非基面滑移系開啟越來越容易，合金的塑性變形能力增強.當合金的擠壓溫度從523 K升高到623 K時，合金的伸長率從9%提高到20%.

3 結 論

1)ZAC333合金經過熱擠后，合金微觀組織和力學性能得到了明顯的改善.當擠壓溫度為523 K時，合金的抗拉強度、屈服強度分別提高到334 MPa,292 MPa,延伸率為9%.

2)降低擠壓溫度能夠顯著提高ZAC333合金的強度.擠壓溫度從623 K降低到523 K，合金抗拉強度和屈服強度分別從264 MPa,176 MPa升高到292 MPa,334 MPa，而塑性從20%降低到9%.

3)ZAC333合金的力學性能的改善主要歸功于熱擠壓過程中動態再結晶產生的細晶強化和第2相粒子因破碎沿擠壓方向分布而產生的彌散強化.當擠壓溫度從623 K降低到523 K，晶粒平均尺寸從6.32 μm減小到3.36 μm.隨著擠壓溫度的升高，合金沿擠壓方向的(0002)基面織構減弱.

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Influence of Extrusion Temperature on Microstructure andMechanical Properties of Mg-3Zn-2.5Al-2.5Ca Alloy

CHEN Ding?，ZHANG Kai，DONG Peng，CHEN Zhenhua

(College of Materials Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

The effect of extrusion temperatures on the microstructures and mechanical properties of Mg-3Zn-2.5Al-2.5Ca(ZAC333) alloy was investigated by metallograph,SEM,XRD and tensile tests.The results show that the average grain size of the as-cast alloy is 185 μm. Due to the dynamic recrystallization,the grain size of as-extruded alloys was reduced from 6.32 μm to 3.36 μm with the extrusion temperature decreasing from 623 K to 523 K.The second phase of semi-continuous Al2Ca and continuous Ca2Mg6Zn3was broken,which distributed along the grain boundary in the as-cast ZAC333 alloy. Compared with as-cast alloy,the mechanical properties of as-extruded ZAC333 alloy were improved. The tensile and yield strength of as-extruded alloy increased from 176 to 292 MPa,264 to 334 MPa,respectively,while elongation decreased from 20% to 9%. The improvement of mechanical properties for ZAC333 alloy can be attributed to the couple effects of refined crystalline strengthening caused by dynamic recrystallization and dispersion strengthening for the refined second phases during hot extrusion.

ZAC333 alloy; extrusion temperature; dynamic recrystallization; the second phase; mechanical properties

1674-2974(2017)12-0014-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.12.003

2017-02-11

美國波音公司合作項目(2015-SDB-127)

陳鼎(1975-)，男，江蘇溧陽人，湖南大學教授，博士生導師?通訊聯系人，E-mail:imr99@163.com

TG146.2

A