噴射沉積Mg—12.55Al—3.33Zn—0.58Ca—1.0Nd合金力學性能研究

王營霞

摘 要：利用噴射沉積技術制備了新型Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金，經熱擠壓工藝得到最終試驗合金，采用維氏硬度計（OM）、掃描電鏡（SEM）、拉伸試驗等方法研究了試驗合金的力學性能。試驗結果表明：擠壓態試驗合金的硬度值為114.3HV，抗拉強度為450MPa，屈服強度為325MPa，延伸率為5%；固溶處理以后，硬度值降為95.7HV；經時效處理以后，硬度值上升至106.3HV，抗拉強度變為426MPa，屈服強度降至296MPa，延伸率為6%；擠壓態合金和時效態合金均為脆性斷裂。

關鍵詞：噴射沉積；鎂合金；硬度；屈服強度；抗拉強度

中圖分類號：TG146 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0074-03

Abstract： A new type of Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd alloy was prepared by spray deposition， and the final test alloy was obtained by hot extrusion. The mechanical properties of the alloy were studied by means of Vickers hardness tester（OM）， scanning electron microscope （SEM） and tensile test. The results show that the hardness， tensile strength， yield strength and elongation of the extruded alloy are 114.3 HV， 450 MPa， 325 MPa and 5 % respectively； after solution treatment， the hardness value decreased to 95.7 HV； after aging treatment， the hardness value increased to 106.3 HV， the tensile strength increased to 426 MPa， the yield strength decreased to 296 MPa， and the elongation reached 6 %； both extruded and aged alloys are brittle fracture.

Keywords： spray deposition； magnesium alloy； hardness； yield strength； tensile strength

由于鎂及鎂合金密度低，質量輕，可以回收，回收率高，新型環保，比強度高，易切削，電磁屏蔽性能優良，在航空航天、汽車制造、軍工制造等領域的用途越來越廣泛[1-2]。隨著鎂合金的普遍應用，鎂合金的傳統制造工藝也面臨著巨大挑戰。噴射沉積制備工藝是一種新型的鎂合金制備方法[3]。該方法制備的鎂合金可以獲得純度較高、成分均勻、晶粒細小、性能優良的鎂合金，可以避免傳統制造工藝中的開裂、氧化、氣孔等問題，加速鎂合金在精密制造中的應用[3]。在噴射沉積制備過程中，加入價格便宜、性能優良的的Ca元素和稀土元素Nd，可以細化晶粒，增加強度，明顯改善合計的力學性能[4-6]。

1 實驗

采用噴射沉積方法制備Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金坯錠。在制備過程中加入氮氣防止氧化。然后經熱擠壓方式把合金坯錠擠壓成棒材，取心部穩定組織，經350℃完全退火4h后隨爐冷卻，然后制備硬度試樣及拉伸試樣，把試樣分別在515℃固溶2h后水淬，再經180℃時效保溫12小時。利用AVK-HV維氏硬度計和S-3400掃描電子顯微鏡配套試驗拉伸機，分析熱處理工藝中鎂合金的力學性能變化規律。

2 結果與討論

2.1 合金硬度變化規律

噴射沉積制備的新型鎂合金在擠壓狀態、固溶狀態、時效狀態的硬度變化規律如表1所示。

由表1可知試驗合金在各個狀態的硬度變化規律。擠壓態鎂合金在所有狀態中硬度值最大，為114.3HV，說明通過熱擠壓工藝可以使合金變得致密，明顯提高合金的硬度；經完全退火處理后合金的硬度值有所下降，分析原因可能是退火消除了熱擠壓過程中的內應力和加工硬化，在一定程度上使合金變得均勻。經固溶處理后合金的硬度值急劇下降，達到了所有狀態的最低值為95.7HV，這是由于固溶使大部分硬質相Al2Ca固溶于α-Mg基體中所致；而在時效熱處理時期，隨著Al2Ca相的再次析出，硬度值又緩慢回升，直至時效峰值106.3HV，隨后又緩慢下降。但時效峰值相對于擠壓態來說，硬度值還是略有下降。

綜上分析可知，熱擠壓試驗合金的硬度值很高；熱處理工藝雖然能改善合金的組織，但是由于Al2Ca相數量的相對減少，合金的硬度值反而下降。合金強度的提高主要以Al2Ca相的彌散強化作用為主，故熱處理工藝對于合金硬度的提高貢獻不大。

2.2 拉伸試驗結果分析

噴射沉積制備的新型鎂合金在擠壓狀態、時效狀態的拉伸結果變化規律如表2所示。

由上表可以看出：室溫拉伸時，擠壓態和時效態的抗拉強度和屈服強度都比較高，這是因為擠壓態與時效態的組織都比較細密；而時效態與擠壓態相比，抗拉強度略微降低，屈服強度也降低，是因為固溶使Al2Ca相大量溶入α-Mg基體中，在時效過程中只有部分析出，彌散強化效果減弱所致。與此同時，時效態相對于擠壓態來說，兩者的延伸率只上升了1%，這與抗拉強度降低基本相符合。進行時效處理時，固溶處理獲得的過飽和固溶體在人工時效過程中發生分解并析出第二相。結合試驗合金的硬度變化規律可知，擠壓態的第二相數量多，硬度值很高，則抗拉強度也很大；經過515℃固溶2h以后，大量第二相溶入基體中，在時效12h時只有部分析出，故第二相彌散強化效果減弱。

2.3 斷口形貌分析

磨損、腐蝕和斷裂是機件失效的三種主要形式，其中斷裂對于合金材料的使用過程危害最大。在應力作用以及其他熱處理過程中，金屬材料可能會發生以下兩種斷裂的情況：被分成兩個或者更多部分的稱為完全斷裂；內部存在裂紋的則稱為不完全斷裂。研究金屬材料發生完全斷裂（簡稱斷裂）的宏觀、微觀特征，分析金屬材料斷裂機理，尤其是材料內部無裂紋存在時，分析裂紋如何形成與擴展的，研究材料斷裂的力學條件以及內外影響因素，對于使用鎂合金材料進行安全設計及應用，具有很大意義。

圖1為擠壓態微觀組織形貌圖，由圖（a）可以觀察到：擠壓態斷口有極少數量類似韌窩的深坑，斷口有較大浮凸，是斷裂過程中大顆粒的Al2Ca相整體分離出去的結果。雖然Al2Ca相能增加試驗合金的硬度，令其抗拉強度增強，但是由于一些Al2Ca相大顆粒與基體的結合力相對較弱，容易與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚集就形成顯微裂紋，在進行拉伸試驗的時候斷裂首先在此處發生，沿著Al2Ca相與基體的界面處斷裂，形成SEM圖片上類似韌窩的深坑。而正是由于這些微裂紋的存在，才會導致合金的塑、韌性下降。由圖1（b）可以看到在斷口表面有少量的橢圓形韌窩，還可以看到有大量的撕裂棱分布在斷裂解理面上，而且還有大量沿晶刻面存在，說明在外加壓力的作用下，擠壓態合金發生了沿晶斷裂，這主要是由于大量的第二相分布在基體上，破壞了晶界的連續性所致。但是在兩個斷口上都沒有看到裂紋的存在，說明裂紋還來不及擴展就發生了突然斷裂，說明擠壓態的斷裂方式為脆性斷裂。

圖2為時效態的斷口微觀形貌圖。從整個斷口的微觀形貌來看，時效態合金相比于擠壓態合金的微觀組織比較均勻而且細密。和擠壓態合金一樣，在時效態合金的斷口SEM圖上看不到微裂紋，說明時效態合金在外力作用下也是發生了突然斷裂，說明時效態合金也是脆性斷裂。

圖2（a）對比于圖1（a）其表面深坑數量減少，這是由于熱處理過程使合金的組織分布均勻化，時效過程使晶粒和第二相顆粒細化、均勻分布的原因。同時由圖2（b）可以觀察到大量細小的Al2Ca相以點狀彌散分布在α-Mg基體中。這很好地解釋了合金在固溶過程中第二相的回溶，在時效過程中再次脫溶析出，均勻分布在基體上，起到時效強化的作用。由于熱處理工藝使Al2Ca相和其它顆粒相在基體上彌散分布，減少了其在晶界處偏聚而引起的晶界破壞，所以其塑性和韌性略有增加。但是在時效過程中，Al2Ca相只有部分析出，所以時效態合金的抗拉強度相比擠壓態還是略有所下降。

3 結論

噴射沉積制備的Mg-Al-Zn-0.58Ca-1.0Nd合金試樣，經熱擠壓、固溶處理、時效處理后，合金中的力學性能變化不明顯，均為脆性斷裂。

參考文獻：

[1]吳國華，陳玉獅，丁文江.鎂合金在航空航天領域研究應用現狀與展望[J].載人航天，2016，22（3）：281-292.

[2]周惦武，莊厚龍，劉金水，等.鎂合金材料的研究進展與發展趨勢[J].河南科技大學學報（自然科學版），2004，25（3）：14-18.

[3]王文明，潘復生，曾蘇民，等.噴射成行技術的發展概況及展望[J].重慶大學學報，2003，3（2）：87-89.

[4]董太尚，白樸存，侯小虎，等.噴射沉積Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金組織與力學性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2011，40（4）：689-692.

[5]程素玲，楊根倉，樊建鋒，等.Ca，Y對AZ91鎂合金顯微組織和力學性能的影[J].稀有金屬材料與工程，2006，35（9）：1400-1403.

[6]歐陽高勛，譚敦強，陳偉，等.Nd對噴射成行Mg-9Al-3Zn-6.5Ca-0.6Mn鎂合金組織及力學性能的影響[J].粉末冶金工業，2008，10（5）：24-27.