B和Gd复合微合金化对AZ91镁合金微观组织和力学性能的影响

刘娜，孟晓棠， 赵德刚

(济南大学材料科学与工程学院，山东 济南 250022 )

【新材料】

B和Gd复合微合金化对AZ91镁合金微观组织和力学性能的影响

刘娜，孟晓棠， 赵德刚*

(济南大学材料科学与工程学院，山东 济南 250022 )

利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)及X射线衍射分析对添加微量B和稀土元素Gd的AZ91镁合金的显微组织及相组成进行了研究，并对其室温力学性能进行了测试。结果表明，AZ91镁合金中添加Gd后， Gd与Al形成杆状或块状的Al2Gd化合物相。含Gd的质量分数为1.0%时，铸态合金的拉伸强度为207.8 MPa，相对未加Gd时提升了27.9%。AZ91镁合金复合添加B和Gd后，合金组织发生明显的变化，在减少Gd含量的基础上添加B，可达到用微量B代替部分Gd对AZ91的强化效果。对比单一添加Gd的铸态AZ91镁合金，在达到相同力学性能的情况下，(B+Gd)复合微合金化的AZ91镁合金的Gd添加量质量分数降低了19%，从而降低了成本。

镁合金；B；Gd；微合金化；微观组织；力学性能

Abstract∶The microstructure, phase composition of AZ91 magnesium alloy with trace amount of B and rare earth element Gd were investigated by using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy spectrum analysis (EDS) and X-ray diffraction (XRD) analysis. The effects of (B+Gd) microalloying on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloys were studied at room temperature. The results showed that the rod or block Al2Gd phase was formed after adding the rare earth Gd into AZ91 magnesium alloy. When the content of Gd was 1.0%, the tensile strength of as-cast alloy was 207.8 Mpa which increased by 27.9% than that without Gd. After adding the combined (B+Gd) into AZ91 magnesium alloy, the microstructure of alloy changed obviously. Based on reducing the content of Gd, the addition of trace amounts of B could achieve the strengthening effect of trace B instead of some Gd on AZ91. Compared with the as-cast AZ91 magnesium alloy with single addition of Gd, in the case of the same mechanical properties, the addition of Gd in the combined (B+Gd) microalloying as-cast AZ91 magnesium alloy could save by 19%, which decreased the productive cost of alloys.

Key words∶magnesium alloy; B; Gd; microalloying; microstructure; mechanical properties

镁合金是工程应用中密度最小的金属结构材料，具有比强度和比刚度高，阻尼性、切削加工性和铸造性能好等优点。除此之外，镁合金还有良好的减振性、尺寸稳定性及铸造成型性等，因此，可以广泛应用于汽车、计算机、航空航天等领域，是最具有发展潜力的金属材料[1-3]。但是，传统镁合金的耐热性和抗高温蠕变性能等较差，其使用温度通常在120 ℃以下，这极大地限制了镁合金在汽车等交通工具上的应用。针对传统镁合金耐热性差的问题，通常添加微量稀土元素来提高其耐高温强度和蠕变抗力，使镁合金能够应用于发动机零部件等方面。到目前为止，Mg-RE系合金优异的耐高温性能在耐热镁合金中仍处于优势地位，但稀土元素价格昂贵，使Mg-RE系合金在汽车中的广泛应用受到一定影响[4-7]。为节约资源、降低成本，得到价格低廉的高强镁合金材料，本文研究了B和Gd复合微合金化对AZ91镁合金显微组织和力学性能的影响。

1 实验方法

本实验所设计的几种合金的成分如表1所示。实验所用熔炼设备为CO2+ SF6混合气体保护的井式电阻炉，升温至730 ℃，待合金完全熔化后(一个小时左右)，按合金成分要求加入Mg-30%Gd中间合金，待固体原料完全熔解后，搅拌合金液以保证合金元素均匀分布。合金液静置15 min后，扒渣，浇注成型；称取3份AZ91合金(共300 g左右)，向其中加入B和Gd后进行复合微合金化的合金铸造，与以上实验步骤不同之处就是在炉中的AZ91完全溶化后，先加入按设定比例称取的Al-4%B中间合金，待其完全融化后，再加入Mg-30%Gd中间合金直至完全溶解，合金液静置15 min后，扒渣，浇注成型。T6 热处理在箱式电阻炉中进行，固溶温度400oC，保温24 h后，在25oC的水中淬火。时效温度为170 ℃，时效时间为24 h，最后进行空冷。实验用FEI QUANTA FEG扫描电镜和S8 TIGER X射线荧光光谱仪，硬度实验在HBRV-187.5布洛维硬度计上测得。合金的室温拉伸实验在DW-200E电子万能试验机上进行，其中拉伸速率为0.5 mm/min。

表1 AZ91+Gd与 AZ91+0.02%B+Gd的合金组成

2 研究结果与讨论

2.1 Gd和B对AZ91镁合金相组成影响

图1是未添加Gd、添加Gd和添加(B+Gd)的铸态AZ91镁合金的XRD射线衍射谱，图中可以看出添加Gd后在AZ91镁合金中形成了Al2Gd相。在AZ91中添加Gd和B后，因为B的加入量太少，因此，(B+Gd)复合微合金化的铸态AZ91镁合金的XRD射线衍射谱没有检测出含B化合物的存在。

a AZ91；b 添加Gd的AZ91；c 添加B和Gd的AZ91。图1 AZ91镁合金添加不同成分XRD Fig.1 XRD of AZ91 magnesium alloy with different compositions

图2 AZ91镁合金SEM和EDSFig.2 SEM and EDS of as-cast AZ91 magnesium alloy

加入Gd后AZ91镁合金的组织中相的组成发生了明显的变化，有新相生成，合金中的成分通过能谱分析可知(见图2)，1点处的颗粒状相含有Mg、Al和Gd 3种元素，y(Mg)=10.18%，y(Al)=67.54%，y(Gd)=24.10%(摩尔分数)，排除合金中基体相α-Mg的干扰，Al和Gd的摩尔比接近于2∶1，因此初步判断该颗粒相为Al2Gd。对基体相的分析结果说明，有极少部分的Gd固溶于α-Mg 基体中，故此颗粒状相是Al2Gd化合物的判断是合理的；2点处含有Al、Mg两种元素，y(Mg)=63.01%，y(Al)=35.49(摩尔分数)，排除合金中基体相α-Mg的干扰，Mg和Al的摩尔比接近于17∶12，因此判断此化合物是分布在晶界处的呈现不连续网状Mg17Al12相。

2.2 Gd和B对AZ91镁合金微观组织影响

图3为不同Gd含量的铸态AZ91镁合金SEM,Gd的加入生成了Al2Gd新相，结果使晶界处呈连续网状结构的第二相β-Mgl7Al12断开，开始呈现断网状或大块状，晶粒内部的此相呈颗粒状分布。由图3a可看出，当添加w(Gd)为0.5%时，AZ91镁合金的显微组织得到显著的改善，稀土元素Gd的加入细化了AZ91合金的基体组织，使β-Mg17All2相由沿晶界分布的连续网络状转变为半连续网络状。合金凝固过程中，Al2Gd相先于Mg17Al12相在此过程的早期开始形成，消耗了基体中的一部分Al原子，减少了β-Mg17Al12相的形成数量。另一方面，稀土Gd元素是表面活性元素，在Mg17Al12相生长过程中可以吸附在生长枝晶尖端，抑制Mg17Al12相的长大，增大其弥散程度。当加入的w(Gd)为1.0%时(见图3b)，合金的组织中颗粒状弥散相Al2Gd的量相对于w(Gd)为0.5%时增多，使Al与Mg结合的机会减少，β相的数量减少，同时其半连续的网状结构变得更小，使合金组织得到细化，从而提高合金的室温性能。当添加w(Gd)达到1.5%时(见图3c)，组织中出现比较多的细小、弥散、均匀分布的颗粒状相，且β相大多呈短小的带状或细小块状。

a AZ91+0.5%Gd; b AZ91+1.0%Gd; c AZ91+1.5%Gd图3 不同Gd含量的铸态AZ91镁合金SEMFig.3 SEM of as-cast AZ91 magnesium alloy with different Gd content

查阅文献[8]，得到当含B量为0.02%时AZ91的强化效果最佳，所以本实验选用0.02%的B添加入合金中，在此基础上再添加不同量的Gd来观察镁合金微观组织和力学性能的变化。

图4为w(B)=0.02%、不同Gd质量分数的铸态AZ91镁合金SEM,加入复合成分后铸态AZ91合金的组织发生显著的变化，其中灰色的部分是基体相α-Mg，白色的不连续网状、带状和块状是β-Mg17Al12相，组织中还有弥散的颗粒状化合物是Al2Gd相。由于添加的B太少，所以难以在图3中观察出含B的相，由文献[9]可知，合金中的B主要分布在晶界上，特别是在β-Mg17Al12相边界以及在块状Al2Gd周围较为集中。

由图4a可以看出，当AZ91镁合金中w(Gd)=0.5%时，相对于前面仅添加相同含Gd量的AZ91镁合金来说，合金组织中出现颗粒状新相Al2Gd。颗粒相Al2Gd是耐热相，且B的加入细化了晶粒从而改善镁合金的组织。当w(Gd)=1.0%时(见图4b)，其显微组织发生了显著的变化，颗粒相的数量明显增加，且灰色的颗粒相在合金基体中趋向于弥散、细小、均匀分布，从而使得晶粒得到更显著地细化，同时白色的半连续的网络状或带状β相转变为较短的带状或块状。当合金中w(Gd)增加到1.5%时(图4c)，组织中的颗粒相增多，但晶粒细化效果变化不太明显，基体中的β-Mg17Al12大多都断裂成短小的带状或块状，数量变化不大，因而当w(Gd)在1.0%时细化达到最佳效果。

w(B)=0.02%a AZ91+0.02%B+0.5%Gd; b AZ91+0.02%B+1.0%Gd；c AZ91+0.02%B+1.5%Gd。图4 不同Gd含量的铸态AZ91镁合金SEMFig.4 SEM of as-cast AZ91 magnesium alloy with 0.02%B and different Gd content

a SEM 图 b EDS图图5 (0.02%B+1.5%Gd)复合微合金化下铸态AZ91镁合金组织1点的SEM和EDS图Fig.5 SEM and EDS of the as-cast AZ91 magnesium alloy microstructure at 1 point under (0.02%B+1.5%Gd) composite microalloying

图5是合金中的w(Gd)=1.5%时SEM图像，由图中可以看出，颗粒相增多，粗大并呈多边形(主要为矩形)，同时有偏聚的倾向。对图5中偏聚颗粒上的1点经EDS分析知，颗粒相中Al和Gd的摩尔比接近于2∶1，说明这些颗粒为A12Gd相。且随着w(Gd)的增大块状的Al2Gd相数量增加、尺寸也增大，并产生偏聚，造成合金组织和成分的不均匀，容易引起应力集中，对合金力学性能产生不利影响。此外，这种偏聚现象还有可能使镁合金的黏度增加，从而造成合金的流动性下降，相应地会导致铸造缺陷增加，在一定程度上会降低合金的力学性能。

2.3 Gd和B对AZ91镁合金力学性能的影响

图6a是铸态和热处理态下AZ91镁合金的拉伸强度与w(Gd)的关系，从图中可看出，对于铸态AZ91镁合金来说，随着w(Gd)的增大，室温拉伸强度逐渐增大，当加入质量分数为1.5%的Gd时，其拉伸强度达到207.8 MPa。铸态下合金的拉伸强度当w(Gd)=1.5%时达最大值，热处理后的合金的拉伸强度当w(Gd)=1.0%时达到最大值，热处理对合金的拉伸强度的影响在含Gd量较低时较大，在w(Gd)=1.5%时最小，且其趋势随着Gd量的增加而减小。

图6b为实验所得AZ91镁合金延伸率与w(Gd)的关系，由图中可看出铸态和热处理态下合金的延伸率均先随着Gd质量分数的增多而增大，当AZ91镁合金的w(Gd)达到1.0%时，合金的延伸率达最大值，分别为6.4%、3.3%；而当w(Gd)大于1.0%时，合金的延伸率开始下降。铸态和热处理态下的镁合金的延伸率的差值随Gd质量分数的增多而增大。图6c反映了铸态和热处理态下AZ91镁合金硬度和w(Gd)的关系，对图中这两种状态下合金的硬度变化进行分析，发现两种态下AZ91镁合金的硬度随Gd质量分数的增多而增加，当w(Gd)为1.5%时，镁合金的硬度达到最大值，且当w(Gd)≤1.0%时，硬度的提升较为迅速，而w(Gd)为1.0%～1.5%时，硬度的提升不是很明显。

图6 铸态和热处理态下AZ91镁合金拉伸强度、延伸率和硬度与ω(Gd)的关系Fig.6 The relationship of tensile strength, elongation, and hardness to ω(Gd) of AZ91 magnesium alloy in as-cast and heat-treated states

图7a为(B+Gd)复合微合金化的AZ91镁合金分别在铸态和热处理态下其拉伸强度和w(Gd)的关系。 (B+Gd)复合微合金化AZ91镁合金，其拉伸强度随Gd质量分数(实验测试范围内)的增多而升高，且均在w(Gd)≤ 1.0%时，镁合金的拉伸强度提升较快，当w(Gd)达到1.0%后，合金的拉伸强度随着Gd质量分数的增加提升很小。由图中可得出结论：加B铸态性能提高，T6态几乎不变；热处理态下(B+Gd )复合微合金化的AZ91镁合金在w(Gd)不同时的拉伸强度总是高于铸态AZ91镁合金的拉伸强度；复合微合金化的合金在w(Gd)为1.0%时其拉伸强度达最大值。 图7b为(B+Gd)复合微合金化的AZ91镁合金分别在铸态和热处理态下其延伸率和w(Gd)的关系。合金的延伸率随Gd质量分数的增加先增大后减小，且均当w(Gd)≤1.0%时，镁合金的延伸率增长较快，当w(Gd)达到1.0%后，合金的延伸率随着Gd质量分数的增加变化较小。由图中可得出结论：加B的AZ91镁合金延伸率低于不加B的，并且相差不大；当(B+Gd)微合金化对于提高镁合金的延伸率的程度和添加单一Gd相当时，实现了用少量的B代替部分Gd元素来降低合金成本的目的。

(B+Gd)微合金化的AZ91镁合金的硬度和w(Gd)的关系如图7c所示。图中可见合金的硬度随Gd质量分数的增加先增大后减小，均当w(Gd)为1.0%时硬度达到最大值，且均当w(Gd)小于1.0%时，镁合金的延伸率增长较快，当w(Gd)达到1.0%后，合金的延伸率随着w(Gd)的增加变化趋势较小，且随着w(Gd)的增加而降低，故适当的w(Gd)对镁合金的强度提升最佳。由图中可得出结论：(B+Gd)微合金化的AZ91镁合金在不同w(Gd)时其硬度在热处理态和铸态均总是高于相应态下含相同质量分数单一Gd的合金的硬度，且在Gd的质量分数小于1.0%时，微合金化对合金硬度的提升较大；热处理态下(B+Gd)复合微合金化的AZ91镁合金在w(Gd)不同时的硬度总是远高于铸态AZ91镁合金的硬度。

图7 (B+Gd)微合金化AZ91镁合金在铸态以及热处理后其拉伸强度、延伸率和硬度与ω(Gd)的关系Fig.7 The relationship of tensile strength, elongation, and hardness toω(Gd) of (B+Gd) microalloying AZ91 magnesium alloy in as-cast and heat-treated states

从成本方面考虑，所购的Mg-30%Gd中间合金的价格为270元/千克，Al-4%B的价格为74元/千克。对于单一添加Gd和(B+Gd)复合微合金化的铸态AZ91镁合金，在其力学性能最佳时(w(Gd)为1.0%)，实验所得两合金的室温拉伸强度，分别为206.4 MPa、209.8 Mpa；当同条件下两合金的屈服强度相同时，即(B+Gd)复合微合金的镁合金其室温强度达到206.4 Mpa时，需添加进镁合金的w(Gd)为0.81%，在生产成本上比单一添加Gd节约的添加量为19%。这就实现了加入一定量的B来代替部分的稀土元素Gd提高AZ91镁合金的室温性能的效果，使此合金的生产成本相对同强度下添加单一稀土元素Gd的镁合金成本降低。

3 结论

(1) AZ91镁合金添加B和Gd后，合金组织发生明显的变化，铸态下复合微合金化的AZ91镁合金的最大拉伸强度为198.7 MPa，与单一添加Gd时相比，提高了9.7%，这主要源自于B对AZ91组织的晶粒细化作用。

(2)采用B和Gd复合微合金化提高镁合金室温性能，用B元素来代替合金中的部分Gd元素，能够降低镁合金的成本。与单一添加Gd的铸态AZ91镁合金相比，在达到相同力学性能的情况下，(B+Gd)复合微合金化的AZ91镁合金Gd的添加量节约19%。

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Effects of B and Gd composite microalloying on microstructure and mechanical properties of AZ91magnesium alloy

LIU Na，MENG Xiao-tang，ZHAO De-gang

(School of materials science and Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China)

TG146.2

A

1002-4026(2017)05-0037-08

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.007

2017-04-17

国家自然科学基金(51471076)

刘娜(1996—)，女，研究方向为高强Mg-Al系合金。E-mail：913406906@qq.com

*通信作者，赵德刚。E-mail:mse_zhaodg@ujn.edu.cn