熱處理Mg-9Y-1Cu合金的組織結構及力學性能★

魏曉晉，馮亞斌，孫二東，劉寶勝，王正誼，張芳萍

（1.中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司，山西 晉中030600；2.太原科技大學，山西 太原030024）

對于結構金屬材料的開發(fā)和研究，屈服強度作為鎂合金設計依據(jù)的評價指標，其參數(shù)決定著材料的實際使用極限。因此研發(fā)更高強度的快速降解鎂合金也決定著其應用前景和未來。固溶處理過程所獲得的過飽和固溶體在經(jīng)過人工時效后，會發(fā)生分解并析出第二相，其所起到的時效強化效果，可以相當于提高鎂合金的屈服強度而降低其塑性[1]；擠壓成型工藝使鑄造鎂合金中鑄造缺陷的減少、晶粒尺寸的細化、第二相數(shù)量及形貌的變化以及位錯孿晶的形成等的改變，在經(jīng)過時效后也會提高合金工件的穩(wěn)定性，增加合金的強硬度，減弱塑韌性[2，3]。但是兩種工藝對鎂合金力學性能的影響，到目前為止盡管有些報道，但由于受添加元素數(shù)量、合金系以及工藝參數(shù)的影響，至今仍不十分清楚。

因此，論文對稀土鎂合金Mg-9Y-1Cu合金固溶及擠壓工藝后繼續(xù)進行時效處理，進一步研究合金微觀組織和力學性能演變規(guī)律。擬通過進一步地時效處理，探究合金微觀組織改變對力學性能的影響機理，為多種服役條件下的快速降解鎂合金的開發(fā)和應用提供數(shù)據(jù)實驗支持。

1 實驗材料及方法

1.1 樣品制備

本實驗熔煉所用原料為純Mg（w（Mg）為99.99%）、純Zn（w（Zn）為99.99%）、w（Mg）-w（Cu）（30%）和w（Mg）-w（Y）（30%）中間合金。熔煉過程采用常規(guī)的半連續(xù)鑄造的方法，整個過程向電阻爐的坩堝內(nèi)通混合的N2和SF6保護氣，防止鎂的氧化及釔與CO2的反應，損耗熔煉合金。

根據(jù)擠壓實驗對所需合金性能的需要，將鑄錠在線切割機上加工得到擠壓所用Φ100 mm的圓棒，對試樣表面潔凈處理后，在400℃下進行10 h的均質(zhì)化處理，以消除合金鑄造過程中的成分偏析程度。之后在850 t臥式油壓機下進行擠壓工藝，先將模具和樣品在擠壓腔內(nèi)加熱至380℃，保溫30 min后，后以2 mm/s的擠壓速度，鑄態(tài)圓棒擠壓成尺寸為Φ20 mm的棒材，擠壓比是5：1。對表面進行潔凈處理，切去擠壓兩端后留中間部分作為本次實驗的研究試樣，留待進一步分析測試。

基于對Mg-Y合金時效溫度和時長的研究[4，5]，對Mg-9Y-Cu合金分別進行了以下處理：樣品1，在固溶（430℃，24 h，水淬）Mg-9Y-Cu合金的基礎上，進行時效（200℃，12 h，空冷)處理，即T6處理。樣品2，擠壓+自然時效（在自然環(huán)境放置了1年）處理。樣品3，擠壓+人工時效（200℃，12 h，空冷）處理。

1.2 組織結構

借助線切割機，將試樣切割成Φ11.28 mm×15 mm的小圓柱，在粗磨機上將圓柱的上下兩個底面打磨至平行且平整，然后依次在型號為400號、600號、800號、1 000號、1 200號、1 600號、2 000號粗細的砂紙上進行水磨，重復打磨至試樣表面殘存細微劃痕后，輔以金剛石W2.5型研磨膏，在拋光機上進行打磨拋光，直至進行觀察的圓柱表面上光亮無劃痕，用酒精清洗試樣表面防止合金氧化。采用的腐蝕液為5.5 g苦味酸，10 mL蒸餾水，5 mL冰乙酸，90 mL酒精，腐蝕時間為10～15 s，其余實驗操作參照鑄態(tài)合金腐蝕過程。

利用X射線衍射儀（XRD，D/MAX-2500）進一步精確的對合金試樣進行物相檢測分析，測試所用輻射源為Cu（Kα）靶，步長0.02°，掃描范圍為20°～90°。所得實驗譜線通過Jade6.5及2004版pdf卡片進行比對分析。

通過掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi S-4800）電子束成像原理來觀察樣品表面微觀第二相形貌及分布，掃描所用的電壓電流分別為15 kV和15 mA。同時利用該機型自帶能譜探頭測試樣品第二相的原子比，結合其他實驗進一步判斷合金中第二相成分。測試樣品表面處理制備過程參照金相觀察試樣。

1.3 力學性能

室溫拉伸實驗在CTM-5504型電子萬能試驗機上進行，測試所采用的拉伸速率為0.5 mm/min。得到合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率。測試試樣尺寸參數(shù)如圖1所示，從線切割機得到的標準拉伸片后，在400號、800號、1 200號砂紙依次打磨試樣表面，直至表面光滑，不存在引起應力集中的切割棱角、點缺陷為止。為了保證此次力學測試數(shù)據(jù)結果的準確性，每種試樣測試3個平行拉伸件，實驗結果最終取均值。同時分析試樣斷口形貌以研究其斷裂的微觀組織機理。

圖1 拉伸試樣圖（mm）

2 時效處理Mg-4Y-2Cu合金的顯微組織

2.1 金相組織

圖2給出了時效處理的Mg-9Y-Cu樣品的光學微觀組織，圖2-1為鑄造+固溶+時效（T6）狀態(tài)，圖2-2為熱擠壓+自然時效（T1）狀態(tài)，圖2-3為熱擠壓+人工時效（T5）狀態(tài)。合金的平均晶粒尺寸依次為44.8μm、4.8μm和5.3μm。T6態(tài)樣品的組織較粗大，第二相呈現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀分布。與鑄態(tài)組織相比，在沿晶界分布的粗大第二相輪廓附近，析出了針狀的細小第二相（圖2-1中所示），該相在單個晶粒內(nèi)部的晶體學取向相同，而不同晶粒內(nèi)部又具有隨機的取向[6]。而T1態(tài)（見圖2-2），縱向截面的微觀組織發(fā)生了顯著變化。破碎的第二相沿著擠壓方向呈流線分布。原鑄態(tài)組織中粗大的枝晶完全消失，形成細小的等軸動態(tài)再結晶晶粒。對于擠壓后人工時效的合金，及T5態(tài)（見圖2-3），可以看到在200℃時效12 h后，晶粒尺寸有所長大。由于合金的析出驅動力增大，可以看到在吉布斯自由能較高的晶界和第二相輪廓附近，其析出的第二相更加密集，呈現(xiàn)出帶狀分布。

圖2 時效態(tài)Mg-4Y-2Cu合金的金相圖像

2.2 SEM組織觀察與EDS分析

如下頁圖3所示，為固溶和擠壓工藝后時效處理Mg-9Y-Cu合金的SEM組織圖。在T6樣品中，連續(xù)粗大的第二相均勻分布在Mg基體內(nèi)部，并且晶粒晶界均較為粗大（見圖3-1）。T6處理后的樣品沿著晶界與基體輪廓析出了細小層片狀的灰暗相，且在較小的晶粒內(nèi)部密度較高。下頁表1給出的能譜結果表明，該層片狀灰暗相為LPSO相；而粗大的網(wǎng)狀第二相，仍然為網(wǎng)狀LPSO相和球狀Mg2Cu相交替分布。從T1（見圖3-2）和T5（見圖3-3）樣品可見，基體為細小的等軸晶，這是在擠壓過程發(fā)生動態(tài)再結晶形成的再結晶晶粒。另外，細小的白亮色第二相成線狀分布。樣品在擠壓之前首先進行均勻化處理，如前所述，由于Cu在Mg中的溶解度極低，因此，均勻化處理并不能完全將金屬間化合物溶解，在擠壓過程中剩余的化合物被破碎后沿擠壓方向流動，形成了線狀分布狀態(tài)。隨后的時效過程中，大部分第二相在體系界面能降低的驅動下趨于球化。與T1樣品相比，高溫下T5樣品中時效析出的第二相數(shù)量更多。二者的能譜結果顯示顆粒狀第二相是由LPSO和Mg2Cu兩相組成。此外，在T1合金高倍掃描圖的晶粒內(nèi)部中，也觀察到了針狀結構相形成，根據(jù)文獻[7，8]，這些針狀析出物具有LPSO結構。

圖3 時效處理Mg-4Y-2Cu合金的SEM圖像

表1 圖3中時效處理Mg-4Y-2Cu合金不同點的EDS結果 %

2.2.1 拉伸應力應變曲線

圖4為固溶及擠壓工藝后時效處理Mg-9Y-Cu合金的應力-應變曲線。同時表2給出了測試樣品力學參數(shù)具體數(shù)值。熱處理后T6樣品的拉伸屈服強度、極限抗拉強度明顯高于鑄態(tài)合金的，但伸長率沒有明顯改觀。經(jīng)擠壓變形的T1樣品，其力學性能顯著提高，抗拉強度增長為251 MPa，伸長率達到19.3%，屈服強度為194 MPa。對于擠壓人工時效的T5樣品，在晶粒長大的負面影響和第二相析出強化的正面影響的共同作用下，T5樣品的強度有所增加，但伸長率下降了0.5%。

圖4 時效處理Mg-4Y-2Cu合金的應力-應變曲線

表2 時效處理Mg-4Y-2Cu合金力學性能參數(shù)

2.2.2 斷口分析

圖5為固溶及擠壓工藝后時效處理Mg-9Y-Cu合金的斷口SEM圖。從圖中可以看出，T6合金的斷口主要由解理面和撕裂棱組成，主要呈現(xiàn)準解理斷裂。此外，在斷口上還存在少量的淺韌窩。而T1和T5合金的斷口則主要由韌窩和撕裂棱組成。韌窩的尺寸較小，數(shù)量較多，且在韌窩底部存在顆粒狀的第二相。說明T1和T5合金的斷裂方式為韌性斷裂，第二相和基體的輪廓為斷裂萌生位點。此外，合金經(jīng)過擠壓后，強度和塑性都有很大的提高，這與拉伸得到的結果一致。

圖5 時效處理Mg-4Y-2Cu合金的斷口SEM圖

眾所周知，高溫固溶和低溫時效處理，使固溶強化和彌散析出強化充分增強合金強度，其主要歸因于鎂合金中析出相的尺寸、數(shù)量、形貌和分布狀態(tài)[9]。Mg-9Y-Cu合金經(jīng)過T6處理后，其部分晶粒析出了從晶界一直延伸到晶粒內(nèi)部的層片狀的LPSO相，在承受拉應力過程中，晶粒內(nèi)部的層片狀LPSO結構有效“釘扎”了位錯的移動，增強了合金強度。而經(jīng)擠壓+時效的T1和T5合金，由于鎂合金在380℃的熱擠壓下合金組織發(fā)生了完全的動態(tài)再結晶，晶粒顯著細化。單個晶粒內(nèi)部參與塞積的位錯數(shù)量減少，阻礙位錯運動的晶界數(shù)目增多；破碎的顆粒形狀的LPSO相和Mg2Cu相與其他形狀第二相相比，對擠壓合金的割裂作用以及應力集中現(xiàn)象也減弱，顯著起到了彌散強化的作用。因此，經(jīng)T1，T5處理的擠壓態(tài)合金綜合力學性能顯著提升。

3 結論

1）固溶和擠壓工藝后時效處理顯著影響著微觀組織結構變化。T6合金部分晶粒內(nèi)部會析出14H結構的層片狀LPSO相。經(jīng)過擠壓工藝后，T1合金晶粒明顯減小，晶界增多，在晶間及晶粒內(nèi)部彌散分布著破碎的第二相。經(jīng)擠壓人工時效后，T5合金晶粒長大，且析出的第二相數(shù)量有所增多。

2）固溶+時效處理的T6合金，其飽和的部分晶粒內(nèi)部析出了層片狀的LPSO相，在固溶強化和第二相強化作用下，T6合金強度提高到了97 MPa和193 MPa。而T1合金細化的晶粒和彌散分布第二相使得合金的綜合力學性能顯著提高，達到商用AZ系列鎂合金的強度。進一步對擠壓合金進行人工時效，T5合金伸長率有所下降，而強度變化不明顯。