釓含量對電弧增材制造成形Mg-Gd合金顯微組織和力學性能的影響

張新琦，楊冬野，田文琦，司 珂，李九霄，鄒文兵

(1.上海工程技術大學材料科學與工程學院，上海 201620；2.哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001；3.上海航天精密機械研究所，上海 201699)

0 引 言

鎂合金是目前實際應用中密度最小的金屬材料，具有比強度和比剛度高、導熱性好等優點，在航空航天、汽車和電子產業具有良好的應用前景[1]。然而，鎂合金存在化學性質活潑、易氧化、強度較差等缺點，限制了其更廣泛的應用[2]。鎂元素和稀土元素都具有密排六方晶體結構，因此稀土元素在鎂中的固溶度較大，具有較好的固溶強化作用。所以，目前主要通過添加稀土元素來改善鎂合金的強度，得到了Mg-Y-Nd[3]、Mg-Gd-Y[4]、 Mg-Gd(Y)-Zn[5]等合金。LI等[6]研究表明，在AZ31鎂合金中添加釓可以有效細化晶粒；WEI等[7]向Mg-4Al-5RE(RE表示稀土元素)鎂合金中添加釓后，其屈服強度提升了約16.9%；姚懷等[8]研究表明，添加質量分數1.0%釓的Mg-0.5Zr-1.8Zn合金具有良好的耐腐蝕性能。綜上，釓的添加可以有效改善鎂合金的組織及強度。目前，傳統鎂合金的制造方法主要是鑄造和塑性變形(軋制、鍛造等)，但傳統工藝存在加工周期長、生產成本高、難以成形復雜結構零件等缺點。電弧增材制造(Wire Arc Addictive Manufacturing, WAAM)技術是一種以金屬絲為原料、焊接電弧為熱源，通過逐層堆積形成所需零件的制造方法，在航空航天、模具、汽車等領域得到了廣泛的應用[9]。該技術不需要模具，且生產周期短。近年來，關于電弧增材制造鎂合金的研究不斷深入。SHEN等[10]使用電弧增材制造技術成功制備了成形良好的高質量鎂合金件；GNEIGER等[11]用電弧增材制造技術制備了具有良好力學性能的稀土鎂合金。目前，有關電弧增材制造稀土鎂合金的研究主要集中在工藝參數優化方面，而有關稀土元素的添加量對鎂合金顯微組織和力學性能的影響研究并不多[12]。

為此，作者向純鎂中加入不同質量分數的稀土元素釓制備Mg-Gd合金鑄錠，通過擠壓方式制成絲材，采用電弧增材制造方法制備Mg-Gd合金，研究釓含量對電弧增材制造成形Mg-Gd合金顯微組織和力學性能的影響，為進一步提升鎂合金的性能提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為純度99.95%以上的純鎂與純度99%的純釓，均由上海航天精密機械研究所提供。按照釓質量分數分別為2%，3%,10%，將純釓與純鎂熔煉成液態金屬，攪拌均勻，除去熔渣，將金屬液倒入模具得到Mg-2Gd、Mg-3Gd、Mg-10Gd合金鑄錠。通過擠壓方式將鑄錠制成直徑為1 mm的絲材。沿平行于擠壓方向截取的絲材剖面顯微組織如圖1所示，可見Mg-2Gd合金、Mg-3Gd合金、Mg-10Gd合金絲材的顯微組織均主要為等軸晶粒，平均晶粒尺寸分別為95，66，67 μm。

圖1 Mg-Gd合金絲材的顯微組織Fig.1 Microstructures of Mg-Gd alloy wires: (a) Mg-2Gd alloy; (b) Mg-3Gd alloy and (c) Mg-10Gd alloy

采用YD-500FR型焊機和配套的送絲機，將3種Mg-Gd合金絲材通過逐層疊加方式制備合金試樣，工作電流為120 A，工作電壓為12 V，成形速度為10 mm·s-1，送絲速度為3 m·min-1，弧長約為5 mm，保護氣體(體積分數為99.99%氬氣)的流量為15 L·min-1。焊槍完成單道次單層成形后，提高至下一層，返回初始位置，繼續進行單道次單層成形。

在成形合金中部截取尺寸為12 mm×10 mm×10 mm的塊狀試樣，用D/MAX2500型多功能X射線衍射儀(XRD)分析物相組成，采用銅靶，工作電流30 mA，工作電壓40 kV，掃描范圍20°～80°，掃描速率2 (°)·min-1。塊狀試樣經打磨、拋光，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用VHX-600K型光學顯微鏡(OM)觀察平行于沉積方向的顯微組織。按照GB/T 6394—2002，每個成形試樣上至少選取10張不同的金相照片，采用直線截點法統計橫向(垂直于沉積方向)、縱向(平行于沉積方向)的平均晶粒尺寸，并將橫向平均晶粒尺寸與縱向平均晶粒尺寸的比值定義為長徑比。采用SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌，并通過背散射電子成像模式觀察Mg-Gd合金的微觀形貌，用附帶的能譜儀(EDS)進行微區成分分析。在成型合金中部沿成形方向截取如圖2所示的拉伸試樣，按照GB/T 228—2002在CMT-5205型微機控制電子試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min-1，預加載荷為50 kN，測試3個平行試樣。拉伸試驗結束后采用SU1510型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

圖2 電弧增材制造成形Mg-Gd合金拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimension of tensile sample of Mg-Gd alloy prepared by wire arc additive manufacturing

2 試驗結果與討論

2.1 對析出相的影響

由圖3可知，3種Mg-Gd合金的物相組成相同，主要由基體相α-Mg和第二相Mg5Gd組成,未檢測到其他相。研究[13]表明，稀土元素釓能夠與鎂形成共晶相，共晶溫度為821 K，生成的化合物為Mg5Gd。因此，加入到鎂中的稀土元素釓，部分固溶到鎂基體中形成固溶體，部分與鎂形成共晶化合物Mg5Gd。

圖3 電弧增材制造成形不同Mg-Gd合金的XRD譜Fig.3 XRD patterns of Mg-Gd alloys prepared by wirearc additive manufacturing

由圖4可以看出：當釓元素質量分數為2%，3%時，晶界處第二相呈圓形顆粒狀，而當釓元素質量分數為10%時，晶界處的第二相變成長條狀；隨著釓含量的增多，析出的第二相尺寸增大、數量增多，形狀也越不規則。在非平衡凝固過程中，熔池溫度降低，釓的固溶度下降，釓元素富集在固/液相前沿，在凝固時，因為晶界處的釓元素含量更高，所以趨于在晶界附近形成第二相Mg5Gd，隨著釓含量的增多，釓元素濃度增加，析出的顆粒狀第二相數量增多。此外，在熔池凝固過程中，晶內的顆粒狀第二相被生長的基體晶粒推向晶界，彼此之間相互聚集、連接，因而造成了第二相的形貌由圓形顆粒狀逐步轉變為長條狀，且分布較分散。

圖4 電弧增材制造成形不同Mg-Gd合金的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of Mg-Gd alloys prepared by wire arc additive manufacturing: (a) Mg-2Gd alloy; (b) Mg-3Gd alloy and (c) Mg-10Gd alloy

2.2 對氣孔的影響

由圖5可見，隨著釓含量的增加，氣孔尺寸減小。在WAAM過程中，氣孔形成主要有以下2個原因[14-15]：(1)氫原子在固、液兩相中的溶解度存在差異；(2)絲材燃燒釋放的氣體未能在熔池凝固前逸出而形成氣孔。加入稀土元素形成的稀土化合物MG5Gd能夠不斷吸附、溶解游離態氫，達到良好的固氫作用[16]，并且釓含量越多，Mg5Gd數量越多，固氫作用越強，氫缺陷越少，氣孔尺寸越小。此外，熔池液態金屬黏度越小，流動性越好，氣體逸出能力就越強[17]，形成的氣孔就越小。鎂合金易氧化，因此其金屬液中常伴有夾雜物，使金屬液黏度增加。稀土元素能夠有效減少鎂金屬液中氧化物夾雜[18]，從而降低其黏度，增加其流動性，提升氣體逸出的能力，因此氣孔尺寸減小。

圖5 電弧增材制造成形不同Mg-Gd合金的OM形貌Fig.5 OM morpholog of Mg-Gd alloys prepared by wire arc additive manufacturing: (a) Mg-2Gd alloy; (b) Mg-3Gd alloy and (c) Mg-10Gd alloy

2.3 對晶粒尺寸的影響

由表1可以看出：隨著釓含量的增加，Mg-Gd合金的晶粒尺寸先減小后增大，而長徑比則逐漸接近1。長徑比接近1，說明晶粒呈等軸狀；長徑比越偏離1，則說明晶粒呈現柱狀。當釓質量分數由2%增加到3%時，第二相Mg5Gd析出量增多，作為晶粒形核的核心促進了異質形核過程，從而細化了晶粒。但是，當釓質量分數為10%時，在熔池凝固過程中釓元素在凝固前沿富集，形成偏析，且沿晶界分布的長條狀第二相Mg5Gd弱化了過冷效應，無法有效抑制晶粒生長，造成晶粒變粗，且晶粒傾向于向等軸晶轉變[19-21]。

表1 電弧增材制造成形不同Mg-Gd合金的晶粒尺寸

2.4 對拉伸性能的影響

Mg-2Gd合金、Mg-3Gd合金、Mg-10Gd合金的抗拉強度分別為176，180，241 MPa，屈服強度分別為76，90，157 MPa，斷后伸長率分別為12.4%，12.3%，9.0%。可見隨著釓含量的增加，鎂合金的抗拉強度和屈服強度增大，而斷后伸長率降低。加入稀土元素釓可以提升鎂合金強度，但會降低塑性。稀土元素釓對鎂合金的主要強化機制為第二相強化和固溶強化。第二相強化在很大程度上取決于第二相的尺寸及數量[22]，Mg-10Gd合金的第二相的尺寸和數量都明顯高于Mg-2Gd和Mg-3Gd合金，極大地增加了位錯滑移阻力，并且第二相傾向于沿晶界分布，抑制位錯沿晶界移動，因此Mg-10Gd合金的強度顯著提高。釓固溶在鎂基體中，使得基體晶格畸變產生畸變應力場，在此應力場作用下，釓原子偏聚在位錯線附近束縛位錯，起到固溶強化效果[23]。一般而言，細小的晶粒會產生更大的晶界面積和更曲折的晶界，從而阻礙位錯運動，使材料強度提升。Mg-10Gd合金的晶粒比Mg-3Gd合金的晶粒更粗大，但其強度卻更高，這是因為聚集在晶界附近的釓元素加強了晶界對位錯的阻礙能力[24]，彌補了晶粒粗大導致的阻礙位錯能力的下降，使得Mg-10Gd合金獲得較高的強度。此外，氣孔既可以成為裂紋源，也易導致應力集中而加劇微裂紋的擴展，使得材料強度降低。隨著釓含量的增加，合金中氣孔含量減少，合金強度得以提升。

由圖6可見，3種不同釓含量的Mg-Gd合金拉伸試樣斷口上都存在韌窩和撕裂棱，說明都發生了韌性斷裂。Mg-2Gd合金和Mg-3Gd合金的拉伸斷口中存在韌窩和撕裂棱數量、尺寸相似，而Mg-10Gd合金拉伸斷口中韌窩數量明顯減少。這是由于大量的釓元素增加了合金的變形抗力，使其塑性變差[25]，初始微孔在外力作用下沿拉伸方向的擴展受阻礙，導致韌窩減少。

圖6 電弧增材制造成形不同Mg-Gd合金的拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of Mg-Gd alloys prepared by wirc arc additive manufacturing: (a) Mg-2Gd alloy; (b) Mg-3Gd alloy and (c) Mg-10Gd alloy

3 結 論

(1) 電弧增材制造成形不同釓含量Mg-Gd合金的物相均由鎂基體和第二相Mg5Gd組成，隨著釓含量的增加，第二相傾向于在晶界附近析出，隨相互聚集、連接，使形狀由圓形顆粒狀向長條狀轉變。

(2) 隨著釓含量的增加，Mg-Gd合金中的氣孔數量減少，尺寸減小，晶粒尺寸先減小后增加，當釓質量分數為3%時，晶粒尺寸最小，晶粒向等軸晶轉變。

(3) 隨著釓含量的增加，Mg-Gd合金的抗拉強度和屈服強度增大，斷后伸長率降低。釓在鎂合金中的主要強化機制是固溶強化和第二相強化，晶界強化、氣孔減少對強度提升也具有一定的促進作用。電弧增材制造成形不同釓含量Mg-Gd合金的斷裂方式均為韌性斷裂。