Y对Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金组织和性能的影响

张建新， 高爱华， 郭学锋

（1.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454000;2.河南理工大学文法学院，河南焦作454000;3.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454000）

镁合金具有密度小、比强度高的优点，有“21世纪绿色环保工程材料”的美称。近几年，镁合金的开发异常迅速，众多研究者从事高性能镁合金材料研究，如重庆大学彭建、潘复生等人研究了稀土Y对Mg-2.0Zn-0.3Zr镁合金组织性能的影响，中南大学李庆波、周海涛等人研究了Mg-Y-Zn-Zr合金的结晶组织及高温力学性能，中国科学院金属研究所汪彬、杨院生等人研究了脉冲磁场对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固过程及力学性能的影响等等［1～3］，镁合金的研究推动了镁合金材料在航空航天、高速轨道交通、电子通讯等领域的应用价值与发展，并形成系统的理论知识，可以说镁合金是当今社会发展最快的金属材料之一［4～6］。但生产实际中镁合金的应用远不如钢铁和铝合金材料广泛，其中主要原因是由于镁合金的强度偏低、高温力学性能较差、抗腐蚀性能不佳等［7，8］。合金元素 Al与基体 Mg形成有序固溶体，能有效提高合金的室温强度、改善铸造性能，但含Al镁合金在凝固过程中会形成β-Mg17Al12相，该相的高温力学性能较差，为了弥补Al的不足之处，通常加入适量Zn提高合金的高温力学性能，加入少量Sb改善合金的铸态组织。本工作以Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金为研究对象，分析了0～2.5%的稀土Y对合金显微组织、力学性能及腐蚀性能的影响，并阐述了Y元素的作用机理。

表1 镁合金材料的化学成分（质量分数/%）Table 1 The chemical ingredients of magnesium alloys（mass fraction/%）

1 实验材料与方法

在井式电炉中熔炼相应的合金试样，采用0.5%的SF6+CO2（体积分数）混合气体保护，主要原料是高纯Mg，99.9%的Zn，99.9%的Al及99.95%的Sb，稀土Y元素采用Mg-10Y中间合金形式加入，实验方案及化学成分见表1。合金熔体在760℃经过保温后浇铸到铁模中，从铸锭的相同部位截取金相试样，用4%（体积分数）的硝酸酒精溶液做腐蚀剂，采用OLYMPUS光学显微镜观察试样的显微组织，在万能材料试验机上拉伸线切割标准试件，用HY（RC）型高温蠕变持久强度试验机测定试样的蠕变性能，用全浸腐蚀法测试合金的耐蚀性能。

2 实验结果与分析

2.1 Y对显微组织的影响

按照实验方案，分别向镁合金熔体中加入0.5%，1.0%，1.5%，2.0%及2.5%的稀土Y，观察试样的金相组织，与未添加Y的试样对比可知:少量稀土Y对合金铸态组织的作用不明显，细化效果是局部的，1%的Y对Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金组织有强烈细化作用，晶粒平均直径约在30μm，过量加入Y时合金的铸态晶粒变化不大，晶粒尺寸维持在50μm左右，而且在晶界处出现明显的元素偏聚现象。试样铸态组织的金相显微照片如图1所示。

图1 不同加入量的稀土Y对Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb铸态组织的影响Fig.1 The grain refining effects of different Y contents on the as-cast Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb alloys（a）0.5%Y;（b）1.0%Y;（c）2.0%Y

Y对Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金铸态组织的细化机理，可从以下几个方面分析:一是根据元素的化学性质可知，合金元素Al，Zn，Sb与Y的电负性差值明显大于基体（见表2），通常情况下优先与稀土Y反应，生成高熔点的金属间化合物Al2Y，Mg3Zn6Y，Y5Sb3（这些新相的生成与Y含量、合金元素含量有密切关系，各种元素之间的交互作用极为复杂），这些新生成的稀土相可作为熔体的异质结晶核心，使合金组织得到细化;二是在非平衡结晶条件下，溶质原子Al，Zn，Sb和Y由于自身的偏析，被推移到固液结晶面前沿富集，增大了熔体的成分过冷，加之生成的稀土相在晶界分布，阻碍了液相原子向固相中扩散，起到了抑制晶粒长大的作用;三是稀土Y的化学性质活泼，属于表面活性元素，很容易与其他元素结合，除杂效果较好，并能有效降低固液面的表面张力，使临界形核半径减小，易于形核，使铸态组织得到细化。实验中发现1.0%的稀土Y对合金细化效果显著，合金显微组织均匀细小。

2.2 Y对力学性能的影响

研制的Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金材料，室温下的铸态抗拉强度为225MPa，在250℃时抗拉强度仅为85MPa。为了改善该合金的力学性能及耐高温性能，实验中对不同加入量的含Y合金做了详细研究，并测试了不同试样的强度指标及蠕变性能。具体方法为:分别测量试样在20℃，150℃与250℃的抗拉强度，测量含Y为0.5%，1.5%与2.5%的合金在200℃/80MPa条件下的蠕变曲线（分别见图2、图3）。结果表明:稀土Y对该合金的力学性能影响显著，随着Y含量的增加呈现先升高后降低的趋势，Y的最佳添加量在1.5%左右，最高抗拉强度可达290MPa;随着Y含量的增加，合金的耐高温性能得到有效改善，合金的热稳定性有加强趋势，相对于未加入Y元素的材料，其工作温度可在原来基础上提高150℃，在高温250℃时抗拉强度仍保持在183MPa。

表2 合金中各元素的电负性和原子半径比较Table 2 Electronegativity and atomic radius of elements in magnesium alloys

一般镁合金材料的力学性能与组织的均匀性、晶粒的大小、强化相的数量及分布状况有密切关系，使用环境温度的升高，会导致强度下降，热稳定性减弱，发生高温蠕变现象。对于Y元素作用下的镁合金材料，其作用机理包括以下几个方面:一是Y元素能和 Al，Zn，Sb等合金元素生成 Al2Y，Mg3Zn6Y，Y5Sb3等金属间化合物，这些化合物硬度较高、热稳定性优良，能有效阻碍高温下的晶界滑移，这对增加材料的热稳定性有积极作用［9］;二是经Y元素处理后的合金晶粒细小、组织均匀，各种金属间化合物及强化相弥散度较高，能有效阻碍室温下的位错运动，这对材料的细晶强化、弥散强化提供了重要途径;三是与基体Mg的原子半径相比，稀土Y的原子半径较大，而合金元素Al，Zn及Sb的原子半径较小（见表2），这种原子半径的反差能使合金元素的固溶强化效果更为突出，特别是Y元素含量较高时，能有效降低其他原子的迁移速度，这对稳定组织、改善材料的耐高温性能十分有利［10］。

2.3 Y对腐蚀性能的影响

为了研究Y对Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金腐蚀性能的影响，对不同Y含量的试样做了如下实验。具体方法为:在室温条件下，将经砂纸打磨的平整试样称重，然后浸入5.0%NaCl腐蚀介质中，全浸泡72 h后取出，清除表面腐蚀产物，并用清水冲洗，烘干后再次称重，最后采用失重法计算各试样的相对腐蚀率，获得表 3 数据，其中 Yx，Wf，Wa及 Crate分别表示试样的Y含量、腐蚀前质量、腐蚀后质量及相对腐蚀率。数据表明:适量稀土Y对合金的腐蚀性能有改善作用，当Y的加入量大于1%时，材料的耐蚀性能开始下降。

表3 Y含量对镁合金腐蚀性能的影响Table 3 The effects of Y contents on corrosion properties of the magnesium alloy

一般而言，组织的均匀性与材料的腐蚀性能有密切关系，组织越均匀，材料的耐蚀性能越强［11］。根据Y元素对合金显微组织的影响分析，当Y添加量在1.0%左右时，该合金组织均匀细小，所以试样的抗腐蚀性能较为理想，Y含量较高时均匀性下降，晶界处偏析严重，所以试样的表面腐蚀较严重（见图4）;其次，Y与其他合金元素一起，生成了耐蚀性能较强的金属间化合物（如Mg3Zn6Y，Y5Sb3等），改善了 β-Mg17Al12相的分布状况（见图5），这就大大降低了合金自身的电化学腐蚀;再者，Y的氧化物（与夹杂氧生成）对材料结构有改善作用，表层不连续的氧化膜得到修复，而该膜对腐蚀具有钝化作用，腐蚀后的形貌较平整，没有明显的腐蚀坑出现［12］。综合以上分析可知:Y元素对该镁合金的腐蚀性能具有改善作用，其最佳加入量在1.0%左右，过量加入稀土Y对材料的耐蚀性能具有负面影响。

图4 2.0%Y合金的腐蚀表面SEM照片Fig.4 The SEM pattern of 2.0%Y alloy after corrosion

图5 组织中的金属间化合物形貌Fig.5 The SEM pattern of intermetallic compound

3 结论

（1）加入1.0%上下的稀土Y对Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金组织具有强烈细化作用，铸态组织均匀细小，平均晶粒直径保持在30μm左右。

（2）含Y 1.5%的Mg-5Al-1.2Zn-0.8Sb合金具有较好的室温力学性能，随着Y含量的增加，其高温力学性能及抗蠕变性得到有效改善。

（3）适量稀土Y能合理改善Mg-5Al-1.2 Zn-0.8Sb合金的组织结构，对提高其表面耐蚀性能有积极作用，Y含量为1.0%时效果较佳。

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