Zr 添加對阻燃Mg 合金的組織和力學性能的影響

謝中柱，韓 剛，樊建鋒，許并社

（1.太原學院機電與車輛工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室，山西 太原 030024；3.太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

鎂合金是目前最具有廣泛應用前景的輕量化金屬結構材料[1]，由于鎂活性高，在高溫下容易和氧氣、水蒸氣等發生劇烈反應，熔煉和加工困難。加入Y 和Ca 可生成高熔點、高致密度系數（a＞1）表面氧化膜[2]，隔絕鎂合金熔體和氧氣，提升鎂合金的燃點、有效阻燃。同時，作為低固溶度元素，容易成分過冷而富集于相界以及晶界，加速晶內異質形核，彌散釘扎，顯著細化晶粒。但是當元素添加量過高時[3，4]（Y＞8wt%，Ca＞3.5wt%）,容易產生脆性，降低阻燃鎂合金的綜合力學性能，限制進一步廣泛應用。本研究在阻燃鎂合金中添加晶粒細化劑Zr[5，6]，探索其對顯微組織和力學性能的影響，改善合金的抗拉強度和延伸率。

1 實驗材料及方法

本實驗以工業純Mg（99.9wt%），Mg-20wt%Y，Mg-35wt%Ca 和Mg-30wt%Zr 中間合金為原料，采用高頻感應爐熔煉Mg-Y-Ca-Zr 阻燃合金，并添加C2Cl6粉末和連續吹入高純Ar 氣體雙重精煉后澆鑄板材和蛇形棒材，采用原子發射光譜法（ICP-AES）測定合金組份，通過超景深三維數碼系統和場發射掃描電子顯微鏡進行顯微組織分析，利用電子萬能試驗機測試合金的力學性能。

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織表征和分析

Mg-3.5Y-0.8Ca 阻燃鎂合金鑄態試樣的顯微組織如圖1a 所示，在稀土元素Y 的作用下，大部分晶粒細化至100um 以下，晶內平整光滑，出現黑色的顆粒狀稀土元素偏聚物。添加Zr 元素后的Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 合金組織如圖1b 所示，多數晶粒細化至50um 左右，晶內呈半連續的網格狀，晶界呈寬化的河流樣將晶粒放大觀察（圖1c），可見晶粒內部均勻分散著直徑小于10um 的細晶，部分直徑小于5um。晶界處黑色的偏析聚集也分裂溶入基體并形成細晶。

在掃描電鏡下觀察合金的顯微組織如圖2 所示。粗晶的邊界呈脊狀隆起，沿晶界彌散著直徑約為100nm～200nm的點狀偏聚物（如圖2 中c 區域），有零星的2um 左右的白色粗大偏聚物（如圖2 中b 區域），晶內凹陷，偏聚物的密度和直徑均小于晶界處。多數粗晶界和晶內均勻的裂解成直徑約為2um 的細晶，細晶的晶界均呈現寬化溝狀（如圖2 中c區域）。

由此可見：添加Zr 元素的阻燃鎂合金，晶粒由未添加前的100um 顯著細化至2um，這不僅有助于增加界面體積分數，使過飽和的Y 和Ca 以及氧化物膜高效覆蓋Mg 基體，隔絕氧和水等，有效提升燃點和耐蝕性。同時，幾um 甚至亞微米的晶界和晶內偏析物，有效釘扎晶內組織和晶界，顯著提升合金的力學性能。

圖1 鑄態合金的顯微組織照片

圖2 Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 合金微區的顯微組織SEM 圖像

2.2 合金的微區成份AES分析

表1 合金的微區成份ICP-AES 分析

合金的微區成份AES 分析結果如表1 所示。細晶的晶界處，Y、Ca 的含量均略高于平均值分別約17.7%、26.3%，而Zr 元素則高出10.3 倍，在晶界處顯著富集。在粗晶的晶界處出現的塊狀粗大偏聚物中，Y 元素高度富集，約為平均值的22.35 倍，Ca 輕微富集，未見Zr 元素。亞微米級的偏聚物中，Zr 元素高度富集，約為平均值的9.57 倍，Ca 元素略偏聚，約為平均值的1.5 倍。

由此可知，晶界偏聚物主要由Mg-Y 化合物[7]和Zr 元素形成，其中過飽和Y 元素在晶界處形成MgY 化合物并長大粗化，可能是由于Y 的熔點較高，熔煉溫度下在基體中的溶解度較低導致，這可能影響合金組份的均勻化并降低阻燃和力學性能，需適當提高熔煉溫度并增加Y 添加量，對合金鑄錠進行后續的固溶處理，這也有助于晶內和晶界處亞微米級的高Zr 偏聚物均勻析出、彌散分布，有效釘扎晶內組織和晶界，阻礙晶粒長大，進而改善阻燃合金的力學性能。

2.3 力學性能檢測和分析

在2kN 載荷下勻速、單向拉伸測定Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr鑄態合金的拉伸強度和延伸率并取3次實驗的平均值。和未添加Zr 元素的阻燃合金相比，拉伸強度由133Mpat 增加到178MPa，顯著提高約33.8%，延伸率為6.72%，有所改善。和Mg-Y 鑄態合金相比，力學性能相近，可以滿足工業廣泛應用。

3 結論

（1）添加Zr 元素可將Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 阻燃合金的晶粒由75um 顯著細化至約2um。晶界偏聚物均勻細化為亞微米尺度并沿著晶界向晶內彌散分布。

（2）晶界及緊鄰晶內區域的偏聚物主要由Mg-Y 化合物和Zr 元素形成，包含少量Ca 元素。

（3）添加Zr 元素可以有效釘扎晶界和晶內組織，顯著提升阻燃鎂合金的力學性能。