Zn摻雜對鎂鋰合金物相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的研究*

黃勁松,劉 鑫

(湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計學(xué)院，武漢 430068)

0 引 言

隨著我國科學(xué)技術(shù)和工業(yè)化的不斷發(fā)展，節(jié)能降耗、減小環(huán)境污染、推動可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為了我國的首要問題。鎂在地球上的儲量非常豐富，開發(fā)鎂金屬材料是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1-2]。其中，鎂鋰合金有“最輕金屬結(jié)構(gòu)”之稱，具有密度低、強(qiáng)度高、彈性模量大、可塑性強(qiáng)、阻尼減震性好、電磁屏蔽效果好和機(jī)械加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、計算機(jī)、家電、通信和儀表等領(lǐng)域[3-12]。

鎂鋰合金的研究歷史可以追溯到1910年，德國學(xué)者 Mising 等發(fā)現(xiàn) Mg 和 Li 作用時的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著宇航器件、兵器、汽車等輕量化的發(fā)展要求，世界各國對超輕鎂合金材料的要求更加迫切，美國、歐洲、俄羅斯、日本等對鎂鋰合金及鎂鋰基復(fù)合材料的研制越來越重視。盡管近幾十年來鎂鋰合金的研究取得了很大的進(jìn)步，但仍然存在許多問題制約了其在更多領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，比如，鎂鋰合金的超輕特性與高強(qiáng)度很難兼顧、強(qiáng)度穩(wěn)定性還不夠高、高溫抗蠕變性能差、抗腐蝕性差等[13-15]。因此，近年來越來越多的學(xué)者開始研究鎂合金的改性[16-20]。

在鎂鋰合金中添加重金屬和輕合金元素依然是改性鎂鋰合金的主要方法之一[21-22]。近年來，在鎂鋰合金中加入稀土元素受到研究人員的廣泛關(guān)注。由于稀土元素在鎂鋰合金中的固溶度較小，可以與鎂形成多種金屬間化合物，從而改善合金的各項性能。稀土元素的加入，可以提高鎂鋰合金的強(qiáng)度和硬度，降低塑性，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化，同時改善合金的熱穩(wěn)定性，提高再結(jié)晶溫度[23-24]。Zn是鎂鋰合金中主要的強(qiáng)化元素，其可以作合金的補(bǔ)充強(qiáng)化元素，來提高合金的腐蝕敏感性、時效穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度，同時改善合金的微觀結(jié)構(gòu)。蘇俊飛[25]研究了不同Zn,Y元素添加量對Mg-6.5Li-xY-yZn合金微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，Zn、Y元素的加入對α-Mg相有明顯的球化作用，Zn、Y元素的配合添加生成的第二相陰極作用相對較弱，能很好地減弱合金的微電偶腐蝕。歐陽思杰等[26]通過真空熔煉方法制備了鑄態(tài)Mg-8Li-xZn-yGd(x=1%,2%,3%,4%;y=1%,2%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金,并對合金的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，隨著Zn含量的增加,W相(Mg3Zn3Gd2)的體積分?jǐn)?shù)增加，而Mg3Gd相的體積分?jǐn)?shù)減少。Mg-8Li-xZn-lGd合金強(qiáng)度的提高是因為隨著鋅含量的增加，細(xì)小片狀W相的第二相強(qiáng)化以及Zn的固溶強(qiáng)化。

本文從Mg-5Li-0.5Y出發(fā)，添加0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))稀土元素Y和不同摻雜量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Zn(0，0.3%，0.5%，1.0%)合金化的方法來改善鎂鋰合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，主要分析了不同Zn摻雜比例對鎂鋰合金性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

純Mg：純度>99.95%，冷加工態(tài)下，拉伸強(qiáng)度為200MPa，延伸率為11.5%，東莞市廣歐利金屬材料有限公司；純Zn：純度>99.95%，東莞市廣歐利金屬材料有限公司；純Li：純度>99.95%，東莞市廣歐利金屬材料有限公司；鎂釔中間合金：牌號Mg30Y，采用高真空熔煉，江西師達(dá)鎂合金技術(shù)有限公司。

1.2 合金的成分設(shè)計

根據(jù)鎂鋰合金二元相圖，本文所用合金設(shè)計為α+β雙相鎂鋰合金，Li的含量確定為5.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，增強(qiáng)元素Y的含量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，Zn的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0，0.3%，0.5%，1.0%，分別為1～4#合金。設(shè)計的每一爐合金樣品質(zhì)量為1.1 kg。合金樣品的理論成分如表1所示。

表1 合金的理論成分Table 1 Theoretical composition of alloys

1.3 合金的熔煉

首先，將純Mg、純Zn、純Li 和Mg30Y合金打磨去除氧化層，清理坩堝殘渣并采用水玻璃涂料涂刷在坩堝表面，將電阻爐升溫到 720 ℃，待溫度穩(wěn)定后把烘干好的Mg塊放入坩堝中熔化；其次，將氬氣經(jīng)導(dǎo)管吹入坩堝開口處隔絕空氣；接著，待Mg塊熔化后，加入稱量好的Zn粒和Mg30Y合金，熔化后攪拌均勻；然后，將熔融的合金保溫一段時間后，降溫到 680 ℃，采用鐘罩將鋁箔包的高純Li壓入鎂合金熔體中，等其熔化后再提出壓罩，在純Li添加完成后，對熔體進(jìn)行輕微攪拌，使熔體成分分布均勻[25]；最后，開爐除去表面殘渣，澆注入模具成型即得。

1.4 合金的擠壓

通過擠壓來提供啊合金的可變形性，擠壓過程為正向擠壓，擠壓過程如下：首先，將擠壓筒預(yù)熱到240 ℃，擠壓鑄件加熱到260 ℃，將擠壓墊涂覆動物油脂后放入擠壓筒后部；然后，將擠壓鑄件放入擠壓筒前部，按下擠壓鍵，擠壓桿通過擠壓墊向鑄件施加壓力，鑄件從擠壓模具伸出；最后，擠壓完成后，退出擠壓桿及擠壓筒，從模具出口取出擠壓的鎂鋰合金樣品。

1.5 樣品的性能測試與表征

采用德國Rigaku TTR Ⅲ型X射線衍射儀分析合金相的成分，Cu靶，40 kV，150mA，掃描速度10°/min，2θ為20～80°；采用日本島津JSM-6480A型掃描電子顯微鏡觀察合金式樣的表面形貌；采用WDW-3100型電子萬能試驗機(jī)對樣品的拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率和彈性模量進(jìn)行測試，拉伸速率為1mm/min,合金試樣的尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig 1 Tensile sample size

2 結(jié)果與討論

2.1 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的XRD分析

將制備的鎂鋰合金切割成尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的方塊試樣，用砂紙進(jìn)行打磨，并采用丙酮進(jìn)行超聲清洗干凈后進(jìn)行XRD分析測試。圖2為不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的XRD圖譜，1～4#指Zn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0，0.3%，0.5%和1.0%的合金。從圖2可以看出，4種鎂鋰合金中α-Mg相的衍射峰最強(qiáng)，其次是β-Li相，說明合金主要由α-Mg和β-Li相組成。此外，由圖2可知，4種合金均出現(xiàn)了Mg2Y的合金相，且隨著Zn的摻入，2～4#合金在2θ=47.7°和77.6°處出現(xiàn)了Mg12ZnY的衍射峰，這可能是因為Zn在晶界處的偏聚形成了Mg12ZnY的化合物，說明Zn的引入，可以影響鎂鋰合金的相組成，生成Mg12ZnY的彌散強(qiáng)化相，從而阻礙位錯滑移，強(qiáng)化合金。

圖2 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的XRD圖譜Fig 2 XRD patterns of magnesium-lithium alloys with different Zn doping ratios

2.2 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的金相分析

圖3為不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的金相照片。從圖3可以看出，4種合金的晶粒都比較均勻細(xì)密，尺寸約在5 μm左右，其中白色相為鋰固溶于鎂中的α-Mg相，灰色和黑色相間的相是鎂固溶于鋰中的β-Li相，說明4種合金均為典型的α+β雙相結(jié)構(gòu)。由圖4(b)～(d)可知，2～4#合金中α-Mg相明顯變細(xì)，且更加分散，α-Mg相有明顯的結(jié)晶趨勢；同時，2～4#合金中β-Li相的含量高于1#合金，β-Li相整體呈現(xiàn)出線條狀。對比可知，Zn的加入改善了合金的微觀結(jié)構(gòu)，使晶粒更細(xì)化，晶界更光滑，改善了α-Mg相和β-Li相的分布，對于位錯的滑移起到了“釘扎作用”，從而提高了合金整體的力學(xué)性能[27]。從不同Zn的添加量來看，隨著Zn含量的增加，合金的金相結(jié)構(gòu)改善越明顯，當(dāng)Zn的含量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，改善效果最好。

圖3 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的金相照片F(xiàn)ig 3 Metallographic photos of magnesium-lithium alloys with different Zn doping ratios

2.3 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的力學(xué)性能分析

圖4(a)和(b)分別為不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度曲線。從圖4可以看出，Zn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0，0.3%，0.5%和1.0%的合金的抗拉強(qiáng)度分別為118，129，136和124 MPa，屈服強(qiáng)度分別為109，117，125和113 MPa。可知，隨著Zn含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，且都大于不摻雜Zn的合金。當(dāng)Zn的含量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為136和125 MPa，與未摻雜的合金相比，分別提升了15.25%和14.68%。這主要是因為摻入Zn后，合金整體的晶粒得到了細(xì)化，位錯的滑移更加困難，合金整體的抗拉性能得到了提高，并且摻入的Zn多數(shù)分布于晶界處，起到了彌散強(qiáng)化的效果，對于合金的力學(xué)性能有一定的提高作用。當(dāng)Zn的含量繼續(xù)增加到1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都出現(xiàn)了下降，這是因為摻入過量的Zn，導(dǎo)致生成了過多的第二相，第二相的結(jié)構(gòu)和夾雜較多，使得合金整體的結(jié)構(gòu)變得疏松，從而導(dǎo)致合金的力學(xué)性能下降。

圖4 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度圖Fig 4 The tensile strength and yield strength of magnesium-lithium alloys with different Zn doping ratios

圖5為不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的斷裂延伸率曲線。從圖5可以看出，Zn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0，0.3%，0.5%和1.0%的合金的斷裂延伸率分別為7.9%，8.3%，9.5%和10.7%。可知，合金的延伸率隨著Zn含量的增加呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，當(dāng)Zn含量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的斷裂延伸率達(dá)到最大值10.7%，說明隨著Zn的加入，合金的機(jī)械性能得到增強(qiáng)。

圖5 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的斷裂延伸率Fig 5 Fracture elongation of magnesium-lithium alloys with different Zn doping ratios

2.4 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的SEM分析

圖6為不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的斷面SEM圖。從圖6(a)可以看出，不含Zn的合金韌窩較少，主要斷裂方式為沿晶斷裂。從6(b)～(d)可以看出，Zn的摻入導(dǎo)致合金的晶粒尺寸出現(xiàn)了明顯的細(xì)化，隨著Zn含量的增加，這3種合金的斷口表面韌窩增多，韌窩邊緣出現(xiàn)不同位向的斷裂刻面，沒有發(fā)現(xiàn)沿晶斷裂的特征，說明合金的韌性增強(qiáng)，合金斷裂方式為韌性斷裂。從圖6(d)可以看出，隨著Zn含量的繼續(xù)增加，斷口處顆粒物增多，導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)了較多的缺陷和雜質(zhì)，使得合金的力學(xué)性能下降。可知當(dāng)Zn的含量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的力學(xué)性能改善效果最好。

圖6 不同Zn摻雜比例的鎂鋰合金的斷面SEM圖Fig 6 Cross-sectional SEM images of magnesium-lithium alloys with different Zn doping ratios

3 結(jié) 論

(1)合金主要由α-Mg和β-Li相組成，為典型的α+β雙相結(jié)構(gòu)，4種合金均出現(xiàn)了Mg2Y的合金相，且隨著Zn的摻入，出現(xiàn)了Mg12ZnY的衍射峰，Zn在晶界處的偏聚形成了Mg12ZnY的化合物。

(2)合金金相組織分析可知，4種合金的晶粒都比較均勻細(xì)密，尺寸約在5 μm左右，Zn的加入改善了合金的微觀結(jié)構(gòu)，使晶粒更細(xì)化，晶界更光滑，改善了α-Mg相和β-Li相的分布，對于位錯的滑移起到了“釘扎作用”，從而提高了合金整體的力學(xué)性能。

(3)力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，隨著Zn含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，而斷裂延伸率呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢。當(dāng)Zn的含量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為136和125 MPa，與未摻雜的合金相比，分別提升了15.25%和14.68%；當(dāng)Zn的含量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都出現(xiàn)了下降，但斷裂延伸率達(dá)到最大值，為10.7%。

(4)SEM分析發(fā)現(xiàn)，Zn的摻入導(dǎo)致合金的晶粒尺寸出現(xiàn)了明顯的細(xì)化，隨著Zn含量的增加，合金的斷口表面韌窩增多，韌窩邊緣出現(xiàn)不同位向的斷裂刻面，說明合金的韌性增強(qiáng)，合金斷裂方式為韌性斷裂。當(dāng)Zn的含量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的力學(xué)性能改善效果最好，而繼續(xù)增加Zn含量，合金斷口處顆粒物增多，導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)了較多的缺陷和雜質(zhì)，使得合金的力學(xué)性能下降。