Li元素对Mg94Y4Zn2长周期镁合金组织与性能的影响

陈景爱，柳 伟，宗喜梅，许春香，牛晓峰，张金山

（太原理工大学，山西太原 030024）

0 引言

近年来，镁合金强化的研究引人关注[1-3]。Mg-RE-Zn 合金中，长周期结构相的发现，极大地丰富了镁合金的强化手段，此外，合金中添加Li 元素也被认为有助于提高镁合金性能[4-6]。Kawamura[7]等通过快速凝固粉末冶金法制备出屈服强度高达600 MPa、延伸率达到5%的Mg97Y2Zn1镁合金，他们还对此合金的微观结构进行了深入的研究，发现合金具备高强韧性是由于合金中存在长周期堆垛有序结构（LPSO）。张景怀[8]等通过固溶处理制备出含长周期结构的高性能Mg-8Li-6Y-2Zn (w%)合金，合金性能的提高主要归因于长周期结构相的形成。尽管人们对长周期结构和Li 强化镁合金有了一定研究，但是对于Li 在长周期相的形成转化过程中的作用，目前还鲜有报道。本文以Mg94-xY4Zn2Lix(a%)为研究对象，系统研究了Li 元素的添加对Mg-Y-Zn 合金的微观结构以及力学性能的影响。

1 实验材料与方法

在本研究中，两组合金的名义成分分别为Mg94Y4Zn2(a%)和Mg89Y4Zn2Li5(a%)。合金以纯单质Mg(w=99.99%)、Y(w=99.99%)、Zn(w=99.99%)和Li(w=99.99%)为原料，在以氩气保护的电阻炉中进行熔炼，720 ℃浇注到经过预热的钢模具中。固溶处理在OTF-1200X 真空管式炉中进行，固溶处理时炉内充入少量氩气，固溶温度为500 ℃，时间为35 h。采用光学显微镜（Leica DM2500 M）对合金显微组织进行观察和取相，铸态和固溶态合金显微组织观察前均采用2%硝酸酒精进行腐蚀。合金相组成分析，采用X-射线衍射仪(XRD,Y-2000)，选用靶材为Cu 靶，扫描范围为20o～80o，扫描速度为0.02(o)/s。对合金的显微组织和不同相成分的测定，采用了配有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM,JSU-6700F)。维氏硬度在HVS-1000A 维氏硬度计上测得的，载荷为10 g，加载时间为15 s。

2 实验结果与分析

2.1 铸态合金组织及分析

图1 是铸态Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn2Li5合 金的SEM 照片。这两组合金均主要由黑色衬度的基体和灰色衬度的第二相组成，并且在Mg89Y4Zn2Li5合金中有少量白色衬度的相存在。在Mg94Y4Zn2合金中，枝晶粗大，第二相呈连续网状分布于晶界处，并且有少量层片状第二相存在，边缘呈锯齿状突出，深入到基体中；而在Mg89Y4Zn2Li5合金中，枝晶细小，第二相区域明显增多，并且边缘整体较为光滑。可见，Li 的加入能够促进铸态合金中第二相的形成，并细化枝晶。

图1 铸态下两组合金SEM照片及EDS分析结果

图2 是两组合金的XRD 图谱。从XRD 图谱可知，铸态下两组合金的特征峰主要来自于α-Mg 和Mg12YZn 相。此外，铸态Mg89Y4Zn2Li5合金的XRD图谱中还有较弱的(Mg,Zn)24Y5相的特征峰出现，并且(Mg,Zn)24Y5相的特征峰均出现较大角度的偏移，这说明固溶造成了较大的晶格畸变。铸态下两组合金EDS 分析结果如图1 所示。EDS 结果表明，两组合金的第二相成分基本相同，都富集Y、Zn 原子，并且第二相成分很接近文献中的18R 型LPSO 相[9]。EDS 结果表明，白色衬度相化学成分为Mg-13.6%Y-11.5%Zn。有研究表明[10]，在M-Y 二元合金体系中会形成Mg24Y5共晶相。另外，也有文献证明[8]，Mg-Li-Y-Zn 合金中有(Mg,Zn)24Y5共晶相的存在。因此，结合XRD 分析结果，可以确定黑色衬度基体为α-Mg，灰色衬度第二相为18R 型LPSO 相，白色衬度相为(Mg,Zn)24Y5共晶相。由于Li 元素无法进行EDS 检测，所以这里没有给出合金中Li 的含量，但从Mg-Li 二元合金相图可知，当a(Li)小于18%时，Li 固溶于Mg 中。综合XRD 和EDS 分析结果，铸态下两组合金主要由α-Mg 和18R 型LPSO 相组成，但由于Li 元素的加入，导致Mg89Y4Zn2Li5合金中出现少量的(Mg,Zn)24Y5共晶相。

图2 Mg94Y4Zn2和 Mg89Y4Zn2Li5合金固溶处理前后XRD图谱

2.2 固溶态合金组织及分析

图3 为Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn2Li5合金经过固溶处理后的显微组织照片。在Mg94Y4Zn2合金中，α-Mg 基体内部形成了大量方向性很强的精细条状结构，并且是从边缘向内部生长；而在Mg89Y4Zn2Li5合金中，α-Mg 基体边缘较为光滑，但在α-Mg 基体内部出现了大量相互平行的精细条状结构，并且贯穿于整个基体。综合EDS 和XRD 分析结果可知，这种精细条状结构为14H 型LPSO 相。先前有文献报道，14H 型LPSO 相的形成主要有两种方式：①在一定条件下，部分18R 型LPSO 相逐渐溶解，Y、Zn 原子在α-Mg 基体上扩散、富集，然后形成14H 型LPSO 相，即由18R 型LPSO 相逐渐转变形成的[11]；②当过饱和的α-Mg 基体中富集大量Y、Zn 原子，且α-Mg 基体中存在层错，这时14H 型LPSO 相便以沉淀形式析出[12]。很明显，Mg94Y4Zn2合金中14H 型LPSO 相的形成属于第一种方式，而Mg89Y4Zn2Li5合金中14H 型LPSO 相的形成属于第二种方式。这说明Li 的加入，改变了Mg-Y-Zn合金中14H 型LPSO 相的形成方式。

2.3 力学性能及分析

两组合金固溶处理前后各相的显微硬度如表1所示。从结果可以看出，铸态下两组合金LPSO 相硬度基本相同，都在120 Hv0.01左右，并且比α-Mg基体硬度高出约40 Hv0.01。在测试显微硬度时，LPSO 相压痕的周围没有出现微裂纹，这表明LPSO相不是硬脆相。相反，LPSO 相能够作为强化相提高合金的性能。另外，Mg89Y4Zn2Li5合金中α-Mg基体硬度要稍低于Mg94Y4Zn2合金中α-Mg 基体的硬度。这主要由于Li 元素的添加，使Mg 的c轴和a轴同时降低，并且c轴比a轴降低的快，所以导致c/a降低，因此使变形更加容易[13]，从而使基体硬度有所下降。经过固溶处理后，由于α-Mg 基体上14H 型LPSO 相的形成，使Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn2-Li5合金基体显微硬度都有所提高，而Mg89Y4Zn2Li5合金基体硬度提高的更为明显。从固溶强化理论可知，较大的原子半径差会使晶格产生晶格畸变，使位错滑移变得更难，而M g89Y4Z n2L i5合金经固溶处理 后，(Mg,Zn)24Y5共晶相的溶解使部分Y、Zn 原子重新固溶于基体，从而使基体强化效果更为明显。

图3 两组合金固溶处理后合金的显微组织照片

表1 两组合金固溶处理前后各相显微硬度

3 结论

（1）铸态下，Mg94Y4Zn2合金是由α-Mg 和18R型LPSO 相组成，而Mg89Y4Zn2Li5合金由α-Mg、18R 型LPSO 相及少量的(Mg,Zn)24Y5共晶相组成。Li 元素的添加，促进了铸态Mg89Y4Zn2Li5合金中18R 型LPSO 相的形成，同时细化枝晶。

（2）经过固溶处理后，Mg94Y4Zn2和Mg89Y4Zn-2Li5合金基体上都有大量方向性很强的14H 型LPSO 相形成，但Li 元素的添加，使14H 型LPSO相以沉淀形式析出，而不是由18R 型LPSO 相逐渐转变形成的。

（3）Li 元素的添加，使铸态Mg89Y4Zn2Li5合金中α-Mg 基体的显微硬度降低，但经过固溶处理后，14H 型LPSO 相的析出以及Y、Zn 原子的重新固溶强化作用，使基体的显微硬度提高到89 Hv0.01。

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