Gd對Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金鑄態(tài)顯微組織和力學性能的影響

楊明波，劉 婧，鐘羅喜，沈威武

(重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054)

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，是最具有競爭力的輕量化材料，在航天航空、汽車和3C產(chǎn)品等領域具有廣闊的應用前景。與其他材料相比，鎂合金由于具有低密度，較高的比強度、比剛度和良好的切削性能、鑄造性能等特點，被譽為21世紀的“綠色環(huán)保工程材料”[1-9]。然而，由于鎂合金較差的高溫抗蠕變性能和耐腐蝕性等不足，很大程度上影響了其進一步發(fā)展應用。基于此，國內(nèi)外研究者們針對鎂合金及其存在的問題進行了大量的研究和試驗，并取得了一些積極的研究成果。已有的研究表明[10-13]，稀土元素的添加能有效地改善鎂合金抗蠕變性能和耐腐蝕性，從而使合金具有良好的綜合力學性能。因此，高強韌稀土鎂合金的研究開發(fā)多年來一直受到國內(nèi)外的關注和重視。

目前，國內(nèi)外對高強韌稀土鎂合金的研究開發(fā)已開展了大量的工作，但涉及的高強韌稀土鎂合金主要集中在Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Nd系等鎂合金上[14]，而對于Mg-Dy系等其他稀土鎂合金的研究和報道還比較少。已有研究表明[15]：Mg-Y合金具有顯著的時效硬化特性，其形成的Mg24Y5共晶相化合物彌散分布于基體內(nèi)和晶界處，起到高溫強化作用；同時，李全安等[16]發(fā)明了一種耐熱稀土Mg-Gd-Y-Sm-Zr-Sb鎂合金，該合金具有良好的抗蠕變性能和抗拉強度，在250 ℃時抗拉強度可達346 MPa，300 ℃時高達309 MPa；此外，范才河等[17]報道了一種使用溫度在300 ℃時仍具有良好室溫強度和高溫抗蠕變性能的Mg-Y-Nd-Zr合金。由于Dy元素的原子半徑與鎂元素相近且在鎂中具有較大的固溶度，從而可使含Dy鎂合金時效硬化特性更為明顯。此外，Zn元素價格低，其在鎂合金中也具有很好的強化效果。因此，Mg-Dy-Zn基鎂合金被認為是又一種有很好發(fā)展前途的高強韌鎂合金系[18-22]。然而，目前對于Mg-Dy-Zn基鎂合金的研究相對較少，尤其在進一步合金化和/或微合金化對其組織和性能的影響方面。張金山等[23]研究了具有LPSO相結構的Mg-Zn-Dy-Zr合金通過熱處理和等通道角擠壓后的顯微組織和力學性能，發(fā)現(xiàn)合金的鑄態(tài)組織主要由鎂基體、塊狀LPSO相和Mg8ZnDy相組成，鑄態(tài)抗拉強度和延伸率為152 MPa和3.58%，而合金熱處理后，在共晶相Mg8ZnDy消失的同時大量塊狀和薄片狀LPSO相析出，抗拉強度和延伸率可達322 MPa和23.6%。由此可見，Mg-Dy-Zn基鎂合金的研究具有很廣闊的前景和可行性。本文將從Gd含量的添加對其進行研究，后期對其進行相應的熱處理研究，進一步分析Gd對Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織和力學性能的影響。眾所周知，Gd元素價格與其他稀土元素相比相對低廉，且其在Mg-Gd基等含Gd鎂合金中存在明顯的強化效果。因此，相應地，Gd有可能是通過合金化和/或微合金化進一步改善Mg-Dy-Zn系鎂合金性能的較好選擇元素。基于此，本文設計制備了Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr(%，質(zhì)量分數(shù)，以下同)鎂合金，并在此基礎上初步研究了Gd添加及其添加量變化對Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金鑄態(tài)組織和拉伸性能的影響，以期為Mg-Dy-Zn基高強韌鎂合金的開發(fā)提供參考。

1 試驗材料和試驗方法

基于表1所設計的合金成分配制試驗鎂合金，選用的原材料為工業(yè)純鎂和純鋅錠(>99.9%)、Mg-18%Dy中間合金、Mg-25%Gd中間合金和Mg-30%Zr中間合金。由于配料時考慮了元素的燒損，因此合金的實際成分與設計成分出入不大。試驗合金的熔煉在電阻爐中進行，熔煉過程在六氟化硫和二氧化碳的混合氣體的保護性氣氛下進行，以盡可能地減輕熔煉過程中鎂合金熔液的氧化傾向。熔煉時，首先將石墨坩堝預熱到300 ℃左右，預熱時間為1～2 h,然后加入已經(jīng)預熱的純鎂塊和純鋅塊，待其完全熔化后隨爐升溫到740 ℃，然后依次加入已預熱的Mg-Dy、Mg-Zr和Mg-Gd中間合金和純鋅，待其完全熔化后適當?shù)財嚢韬辖鹑垠w，均勻合金成分，攪拌后用C2Cl6變質(zhì)劑進行精煉處理，精煉完畢后攪拌合金熔體，并將合金熔液在740 ℃保溫10～20 min，然后將合金熔液澆鑄到已預熱的金屬鑄型中，待其冷卻凝固后取樣作鑄態(tài)組織分析和性能檢測。

表1 試驗鎂合金的實際化學成分

(%，質(zhì)量分數(shù))

將鎂合金試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用Olympus光學顯微鏡和JOEL JSM-6460LV型掃描電鏡對合金的顯微組織進行觀察，并用Oxford能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。在40 kV和30 mA下用D/MAX-2500PC型X射線衍射儀對合金組織進行物相分析，試驗合金的室溫抗拉性能測試則在CMT5000拉伸試驗機上進行。其中，拉伸速率為2 mm/min，同時通過掃描電鏡對拉伸試樣的橫斷面進行形貌觀察。

2 結果和討論

2.1 對鑄態(tài)顯微組織的影響

圖1顯示了Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd試驗鎂合金的XRD結果。從圖1看到，不含Gd合金的鑄態(tài)組織主要由α-Mg基體、Mg3Zn3Dy2和少量的Mg24Dy5相組成，而隨著Gd元素含量的添加，鑄態(tài)組織中原有的Mg24Dy5相衍射峰強度減弱，Mg3Zn3Dy2相衍射峰的強度增加且其隨著Gd含量(質(zhì)量分數(shù)，以下同)從0.5%增加到1.0%，衍射峰的強度進一步增強，并形成了Mg(Dy,Gd,Zn)x相。

圖1 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鑄態(tài)合金的XRD結果

圖2、3分別顯示了Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd試驗鎂合金鑄態(tài)組織的金相照片和低倍掃描電鏡照片。從圖2、3可以看出：不含Gd合金的鑄態(tài)組織主要由α-Mg基體和不同形貌的第二相組成，合金晶界十分清晰，第二相主要呈不規(guī)則的短棒狀和細小顆粒狀，且主要分布在晶界和晶內(nèi)。添加0.5%Gd后，合金的晶粒被細化，同時有大量呈半連續(xù)分布的第二相在晶界析出。而添加1.0%Gd后，合金的晶粒沒有進一步細化，同時晶界的第二相也仍然呈半連續(xù)狀分布。很顯然，Gd添加及其添加量變化對Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金鑄態(tài)組織的晶粒細化和第二相的形貌和分布等存在較大影響。

圖2 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鎂合金鑄態(tài)組織的金相照片

圖3 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鎂合金鑄態(tài)組織的低倍SEM照片

圖4顯示了Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鎂合金鑄態(tài)組織的高倍SEM照片。基于國內(nèi)外已有的研究[19,24-26]，結合表2列出的EDS能譜分析結果以及圖1顯示的XRD結果可知：圖4(a)中不含Gd合金組織中的立方體顆粒相為Mg24Dy5相，而片層狀組織疊加在一起呈顆粒狀的第二相為Mg3Zn3Dy2相。添加0.5%Gd和1.0%Gd后，在合金鑄態(tài)組織中仍然存在著少量的立方體顆粒相，很顯然其是Mg24Dy5和Mg3Zn3Dy2相(如圖4(b)～(c)所示)。此外，從圖1顯示的XRD結果看，在含Gd合金中形成了Mg(Dy,Gd,Zn)x相，而這在圖中也得到了進一步證實。如圖4(b)～(c)所示，含Gd合金鑄態(tài)組織中Mg(Dy,Gd,Zn)x相與Mg3Zn3Dy2相在晶界處混合在一起，呈半連續(xù)狀分布。

圖4 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鎂合金鑄態(tài)組織的高倍SEM照片

表2 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd合金鑄態(tài)組織的EDS結果 (%，質(zhì)量分數(shù))

2.2 對鑄態(tài)拉伸力學性能的影響

表3列出了Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鑄態(tài)鎂合金在室溫下的拉伸性能。從表3可以看到，在Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金中添加0.5%Gd后，合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率大幅增加，而添加1.0%Gd后，合金的拉伸性能不但沒有進一步增加，抗拉強度和延伸率反而比沒添加Gd的合金低。上述結果說明，Gd合金化和/或微合金化有益于Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金拉伸性能的改善，但Gd的加入量需要控制，具體的原因和機理會在后續(xù)討論中進行分析。

表3 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鎂合金的鑄態(tài)室溫力學性能 (%，質(zhì)量分數(shù))

圖5顯示了Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鑄態(tài)鎂合金室溫拉伸斷口的SEM照片。從圖5(a)中可以看到，Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr合金拉伸斷口上存在明顯的解理面/臺階、河流花樣和撕裂棱，脆性斷裂特征明顯，說明合金的斷裂方式為解理和準解理斷裂。同時，從圖5(b)看到，添加0.5%Gd后，合金拉伸斷口上的解理臺階和河流花樣的尺寸明顯減小，并且撕裂棱也較少，有韌性斷裂的特征，而這也與添加0.5%Gd合金具有最高的抗拉性能吻合。總體而言，添加0.5%Gd合金的斷裂方式仍然是解理和準解理斷裂。此外，從圖5(c)看到，添加1.0%Gd后，合金拉伸斷口上的放射狀河流花樣有韌窩出現(xiàn)，并且也存在著一些撕裂棱，說明合金的斷裂方式與不含Gd的合金類似，同樣為具有脆性斷裂特征的解理和準解理斷裂。上述分析還可從圖6顯示的Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鑄態(tài)鎂合金室溫拉伸斷口縱斷面的金相照片得到進一步證實：① Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金的裂紋萌生于粗大的晶粒，并穿過基體，表現(xiàn)為穿晶斷裂；② 添加0.5%Gd合金的拉伸斷口縱斷面呈鋸齒狀形貌，有明顯韌性斷裂特征；③ 添加1.0%Gd合金的拉伸斷口縱斷面上可觀察到較大的裂紋，脆性斷裂特征明顯。

2.3 討論與分析

上面的結果表明：在Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金中添加0.5%或1.0%Gd可以細化合金的晶粒。圖7顯示了Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-0.5Gd鎂合金鑄態(tài)組織的面掃描照片。由于Zr元素一般不與鎂合金中除Al、Mn、Si等元素外的其他元素形成化合物，因此從圖7可以看到，Zr元素主要彌散分布于基體中。然而，與Zr元素的分布不同，合金組織中Dy、Zn和Gd元素主要富集在晶界處且分布規(guī)律十分相似，而這可能是含Gd鎂合金晶粒得到細化的主要原因：由于Gd添加后富集在晶界，在凝固過程中處于固液界面前沿，從而會阻礙晶粒長大。當然，也有可能與Gd添加富集在晶界導致固液界面前沿過冷度變化從而影響形核和生長有關，這需要在后續(xù)工作中進一步確認。

圖5 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鑄態(tài)合金室溫拉伸斷口的SEM照片

圖6 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-xGd鑄態(tài)合金室溫拉斷后的縱斷面金相照片

圖7 Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr-0.5Gd鎂合金鑄態(tài)組織的面掃描照片

此外，從上面的結果還可以看到，在Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金中添加0.5%Gd后，合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率大幅增加，而添加1.0%Gd后，合金的拉伸性能不但沒有進一步增加，抗拉強度和延伸率反而比沒添加Gd的合金低。很顯然，這與Gd添加及其加入量變化對合金鑄態(tài)組織的影響有關。如圖2、3所示，在Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金中添加0.5%Gd后，合金的晶粒被細化，同時有大量呈半連續(xù)分布的Mg3Zn3Dy2和Mg(Dy,Gd,Zn)x第二相在晶界析出，這顯然有益于合金性能的改善。此外，由圖6可知，合金鑄態(tài)組織中Dy、Zn和Gd元素在基體中均勻分布且形成了Mg(Dy,Gd,Zn)x第二相，可以起到晶界強化作用，從而使合金性能在組織細化的基礎上得到進一步的提高。盡管上面的分析可以解釋為何添加0.5%Gd能對Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金室溫拉伸性能有大幅改善，但并不能很好地解釋為何添加1.0%Gd合金后室溫拉伸性能明顯降低。如圖2、3所示，在Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金中添加1.0%Gd后，雖然合金的晶粒與添加0.5%Gd合金相比沒有進一步細化，但也沒有明顯的粗化趨勢，同時晶界的第二相也仍然呈半連續(xù)狀分布，且形貌比較相似(見圖4)。從組織決定性能的角度，添加0.5%Gd和1.0%Gd合金的室溫抗拉性能應不至于相差過大。根據(jù)Yang等[27]對Gd含量變化影響Mg-Dy-Gd-Zr鎂合金顯微組織和力學性能等的研究結果發(fā)現(xiàn)，隨著Gd含量從0逐步增加8%，雖然合金的晶粒尺寸變化不大，但是抗拉強度和屈服強度有所提高，同時延伸率下降。顯然，Gd含量對合金力學性能的影響很可能與第二相的數(shù)量、分布及形貌等有關。然而，該原因是否適合本文不同Gd含量合金的力學性能差異，需要在后續(xù)的工作中從合金熔鑄精煉、斷裂裂紋源、晶粒大小分布和第二相相貌及分布等方面做進一步的研究。

3 結論

1) Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr試驗鎂合金的鑄態(tài)組織主要由α-Mg、少量的Mg3Zn3Dy2和Mg24Dy5相組成，而添加0.5%Gd和1.0%Gd合金的鑄態(tài)組織主要由α-Mg、Mg3Zn3Dy2、Mg(Dy,Gd,Zn)x相以及少量Mg24Dy5相組成。此外，添加0.5%Gd和1.0%Gd還可細化Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr合金的晶粒，并導致大量呈半連續(xù)分布的第二相在晶界析出。

2) 在Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr試驗鎂合金中添加0.5%Gd后，合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率大幅增加，而添加1.0%Gd后，合金的拉伸性能不但沒有進一步增加，抗拉強度和延伸率反而比沒添加Gd的合金低。很顯然，Gd合金化和/或微合金化有益于Mg-3Dy-2Zn-0.5Zr鎂合金拉伸性能的改善，但需要控制Gd的加入量。