ECAP变形对Mg2Si增强耐热镁合金组织及性能的影响

韩富银，张 俊，张 毅，杨宝成，马 盈

(太原理工大学 材料科学与工程学院，太原030024)

ECAP变形对Mg2Si增强耐热镁合金组织及性能的影响

韩富银，张 俊，张 毅，杨宝成，马 盈

(太原理工大学 材料科学与工程学院，太原030024)

为了提高镁合金的耐热性能，在Mg-Zn合金中加入Si，形成Mg-Zn-Si镁合金.采用ECAP工艺在变形温度为573 K和挤压路径为Bc条件下对Mg-Zn-Si镁合金进行不同道次的变形.运用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等手段对变形后的Mg-Zn-Si镁合金进行了组织表征，对变形后的合金进行了室温拉伸和高温蠕变等力学性能测试.结果表明：随着挤压道次增加，α-Mg基体、MgZn相及Mg2Si相均得到细化且分布趋于均匀.1道次挤压后部分基体α-Mg细化，4道次挤压后α-Mg的尺寸减小为5～10 μm，且晶粒大小趋于均匀；2道次挤压后Mg2Si相枝晶在原位置破碎为颗粒状，6、8道次挤压后Mg2Si相呈弥散分布.4道次挤压后合金的屈服强度和抗拉强度均提高120%，伸长率提高353%；8道次挤压后合金的抗拉强度和伸长率与4道次相比变化不大，但屈服强度进一步提高了19%.随着挤压道次增加，高温抗蠕变性能提高，8道次后高温稳态蠕变速率降低5倍.Mg2Si相细化机理为受剪切而机械碎断.

耐热镁合金；Mg2Si相；ECAP；力学性能；微观结构

镁合金因低密度等优点成为目前重要的工业轻质金属结构材料，在交通、航空、电子产品等领域有着巨大的应用潜力.但由于其自身不足，如强度低,塑性变形能力差,高温性能差,耐腐蚀性差和成型性差等,极大地限制了其应用.其中,如何提高镁合金的高温性能成为研究的一个重要方向.

目前，耐热镁合金的研究已取得一些成果.Mg-RE系镁合金具有良好的耐热性能，但由于成本高，在民用工业领域的应用受到制约.开发低成本高强度耐热镁合金成为目前镁合金研究的热点之一.Mg-Al系合金中由于Mg17Al12相熔点较低(713 K左右)，高温下易软化，导致抗高温蠕变能力降低.Mg-Zn系合金具有较高的室温抗拉强度和屈服强度，但在镁合金中加入Zn元素会增加合金的热裂倾向和显微疏松，这是阻碍该系镁合金在工业中应用的主要原因[1-3].研究表明[1,4-5]，在Mg-Zn镁合金中加入稀土(RE)、硅(Si)、银(Ag)以及钍(Th)均可提高镁合金高温性能.其中，含硅镁合金具有成本低的优势，但如何控制Mg2Si相形貌是该合金系的关键.目前，获得细小Mg2Si相的手段主要是添加合金元素进行变质处理[5]及大变形处理[6].宋海宁等[7]在Mg-6Zn-1Si合金中加入微量Ca来细化组织，Mg2Si强化相形貌由粗大的汉字状转变为细小、弥散分布的颗粒状，使Mg-6Zn-1Si合金的室温和高温力学性能均有一定的提高.汪洋等[8]研究了热挤压及时效对Mg-Zn-Si-Ca(5.34Zn,0.82Si,0.18Ca，余量为Mg，质量分数/%)镁合金显微组织和力学性能的影响，通过热挤压来细化汉字状Mg2Si等组织结构，使合金力学性能得到提高.

ECAP变形不仅可细化组织,还能消除铸造缺陷,改善力学性能，在镁合金中也得到大量应用[9-13].大多数研究都集中在细化晶粒提高超塑性方面，文献[14]研究了ECAP过程中晶粒细化机制，通过分析ZK60镁合金1道次挤压过程中显微组织特征，认为ECAP变形细化镁合金基体α-Mg剪切前为机械剪切机制，剪切中和剪切后为动态再结晶机制.文献[15]研究了ECAP变形对Mg2Si/Mg基复合材料的微观组织和室温力学性能的影响，分析了ECAP变形不能细化块状初晶Mg2Si(Ⅰ型Mg2Si)相的原因，分析了ECAP变形对织构的影响及Mg2Si相对实验合金室温力学性能的影响，但是Mg2Si相对高温蠕变性能的影响没有涉及.在前期研究基础上[16]，本文主要研究ECAP变形对Mg-Zn-Si合金中Mg2Si相的细化机制，探讨Mg2Si相对高温蠕变性能的影响机制.

1 实 验

实验用镁合金为自制合金，在SG-5-12井式坩埚电阻炉中熔炼而成，经检测合金的实际成分(质量分数/%)为4.9Zn，1.0Si，余量为Mg.将铸锭切割成55 mm×10 mm×10 mm的挤压试样.采用内交角为φ=90°、外交角为Ψ=20°的ECAP模具在573 K下对试样进行BC路径1～8道次挤压变形.制备得到挤压变形试样.金相试样从挤压试样中部截取，用苦味酸腐蚀剂(5 g苦味酸+78 mL酒精+7 mL蒸馏水+10 mL冰醋酸)进行腐蚀制备；用CMM-20光学显微镜观察组织；拉伸试样沿挤压方向切取，标距处尺寸为40 mm×4.5 mm×2 mm，用DNS100电子型电子万能试验机进行拉伸试验，其拉伸速率为0.5 mm/min.用KY2-2000型X射线衍射仪(XRD)分析物相组成；用JSM6700-F扫描电镜观察断口形貌；采用JEM2000EX型透射电镜进行微区组织形貌及位错组态的观察；使用YHD位移计和YE2539高速静态应变仪进行抗高温蠕变测试.

2 结果与分析

2.1 等通道转角挤压对合金显微组织的影响

实验结果如图1、图2及表1所示，其中表1为图1(b)中物相的能谱检测结果.MgZn相呈不连续网状或条块状分布在晶界和α-Mg枝晶边界上，Mg2Si相呈汉字状分布在晶内和晶界附近.基体α-Mg晶粒大小为100～200 μm，Mg2Si相一次枝晶长达80 μm.

图1 实验铸态合金的微观组织

Fig.1 The micro-structure of the as-cast alloy:(a)optical micrograph; (b)scanning electron micrograph

图2 合金铸态物相分析谱图

Table 1 The analysis of the phase composition in the Fig.1(b)

位置MgZnSiA处67.70.232.1B处49.250.80C处63.136.90D处96.41.32.2

图3为ECAP变形1、2、4、6、8道次的显微组织.由图3(a)可知，经1道次变形后，基体α-Mg细化为20～50 μm，MgZn相细化为细小的颗粒状，部分截面细小的Mg2Si相枝晶发生断裂.2道次后α-Mg基体进一步细化，Mg2Si相枝晶全部破碎为颗粒状，Mg2Si相颗粒集中在原位置，并随着挤压道次的增加，Mg2Si相颗粒趋于弥散分布，如图3(c)、(d)、(e)所示,MgZn相也进一步细化并趋于均匀分布.4道次后基体α-Mg细化为5～10 μm，且晶粒大小趋于均匀，Mg2Si相颗粒进一步碎化，部分离开原来位置趋于弥散分布,经6、8道次挤压后基体α-Mg晶粒大部分为5 μm左右，极少数晶粒异常长大，Mg2Si相颗粒变得非常细小且呈弥散状分布.

ECAP变形细化基体α-Mg的机制主要为连续动态再结晶，这在许多文献中都有报道，1道次后部分晶粒细化是由于ECAP变形是一种不连续、纯剪切变形[17].由于变形不均匀，在部分晶粒内出现剪切带(如图4所示)，在剪切带内高密度的位错缠结为动态再结晶提供了能量条件，导致晶粒大小不均匀.

图3 试样不同挤压道次后的金相组织

Fig.3 The microstructure of specimens after different extruded passes:(a) 1 pass;(b) 2 passes; (c) 4 passes; (d) 6 passes; (e) 8 passes

图5是ECAP变形中Mg2Si相形态，其中图5(a)是实验合金的TEM照片，图5(b)是图5(a)中e点的EDS分析谱图.结合物相分析(图2)可知，图5(a)中的e所示颗粒为Mg2Si相.Mg2Si颗粒韧脆转变温度为723 K，也就是说在本实验挤压温度(573 K)下，Mg2Si相呈脆性，在受力时将容易发生脆性断裂.α-Mg基体中形成的剪切滑移带在扩展过程中遇到Mg2Si相的阻碍，位错在Mg2Si相处塞积而产生应力集中，当塞积处的位错达到足够数量时，产生的总应力足以使Mg2Si相产生裂纹而剪切分离，如图5(a)、(c)所示，已被机械剪切碎断的Mg2Si相随着挤压道次的增加逐渐趋于弥散分布，如图5(d)所示.与基体α-Mg一样，Mg2Si相颗粒也不可能无限的细化，当细小颗粒脆断所需临界应力大于其所受的外加应力时，Mg2Si相颗粒就不会断裂，颗粒将保持在一定大小范围内，如图5所示.

图4 实验合金ECAP形成的剪切带组织

图5 ECAP变形后Mg2Si相形貌变化

Fig.5 The morphology changes of the Mg2Si phase after deformed by ECAP : (a) TEM microstructure of the alloy; (b) EDS analysis of point e in Fig.(a); (c) 1 pass microstructure;(d)8 passes microstructure

2.2 等通道转角挤压对室温力学性能的影响

实验合金的室温力学性能如表2和图6所示.由于Mg2Si相割裂基体的作用比较强，容易产生应力集中，铸态合金的屈服强度是56 MPa，抗拉强度为128 MPa，伸长率为3.2%.经过4道次挤压后，α-Mg基体得到细化，Mg2Si相、MgZn相不仅得到细化而且趋于弥散分布，力学性能得到大幅度提高.合金经过8道次挤压后α-Mg基体与4道次相比变化不大，但Mg2Si相、MgZn相分布更加均匀，而且Mg2Si相颗粒棱角变钝，MgZn相颗粒变得圆整，第二相强化效果更好，所以屈服强度进一步提高.从图6还可看到，4、8道次变形后应力-应变曲线上出现锯齿状波形，这可能是由于动态应变时效产生的锯齿式屈服现象[18-19]，有待进一步研究.

表2铸态及4、8道次挤压态合金室温力学性能

Table 2 Room temperature mechanical properties of as-cast and after 4 and 8 passes by ECAP

Passesσs/MPaσb/MPaδ/%as-cast561283.24passes12328214.58passes14628314.2

图6 铸态及ECAP挤压态4、8道次应力-应变曲线

图7为实验合金的室温拉伸断口形貌.合金铸态试样的拉伸断口并没有明显的宏观塑性变形，断口相对齐平并垂直于拉伸轴方向.断口微观特征如图7(a)所示，断口上存在明显的断裂平面、解理台阶和撕裂棱，还有较多的二次裂纹.图7(a)中出现大量断裂平面是基体α-Mg与片状Mg2Si相界面，在受力时位错运动遇到Mg2Si相而塞积，在塞积前沿产生较大的应力集中，又由于Mg2Si相与基体α-Mg界面结合强度较低，有利于裂纹的形成及扩展，钉扎的位错可重新移动，产生塑性变形，屈服强度降低；随着载荷的增加，位错遇到裂纹，位错消失的同时也使得裂纹迅速长大，这些裂纹容易沿着Mg2Si/α-Mg相界面扩展，直至断裂，这就导致合金的伸长率以及抗拉强度也很低.

经过4道次挤压后的试样，在拉伸断口附近能观察到塑性变形，整个断口平面与拉伸轴呈45°角，断口微观特征如图7(b)所示.由于第二相Mg2Si细化为细小的颗粒状，所以断口上无断裂平面(α-Mg与片状Mg2Si相界面)，α-Mg基体与晶界上的MgZn相均得到细化，断口上也无明显的解理台阶，呈大量细小的韧窝状，且部分韧窝底部存在颗粒状第二相，进一步证明细晶强化和第二相强化是ECAP变形实验合金力学性能提高的原因.断口上存在少量的准解理断裂形貌是因为少部分α-Mg基体晶粒还较粗大.

图7 试样室温断口形貌

Fig.7 The fracture morphology of the as-cast and the extruded specimens at RT：(a) as-cast;(b) 4 passes by ECAP

2.3 等通道挤压对高温蠕变性能的影响

在蠕变温度523 K、应力60 MPa条件下，分别进行铸态、4和8道次蠕变实验.实验结果如图8及表3所示.

铸态下汉字状Mg2Si相周围容易产生应力集中，应力集中达到一定程度时容易形成楔形裂纹源[20-21]，这些裂纹使得应力集中得到松弛，位错的不断产生和滑移又造成应力集中，由于裂纹很容易沿Mg2Si相与基体的结合界面扩展，使得裂纹扩展速度加快，很快进入失稳扩展阶段，因此铸态合金蠕变曲线由第1阶段直接进入第3阶段，在很短时间内就发生断裂.

图8 试样在523 K、60 MPa条件下的蠕变曲线

Fig.8 The creep curves of the as-cast and the extruded specimens at 523 K and 60 MPa

表3不同挤压道次试样的蠕变性能

Table 3 Creep properties of specimens extruded by different passes

PassesT/Kσ/MPaε/%Creeprateε·/(10-6s-1)t/h0p4p8p523605.402.161.837.991.313.877.680.3910.09

Mg-Zn-Si镁合金在经过等通道挤压以后，抗高温蠕变性能大幅提高，这与其微观组织尤其是第二相Mg2Si增强颗粒的大小、分布变化趋势有关，即在实验温度和应力下，稳态蠕变速率随Mg-Zn-Si合金中Mg2Si增强相的细化、弥散而减小，在恒温、恒定应力的作用下，Mg2Si相颗粒能有效钉扎位错，提高抗蠕变性能.一般来说，随着晶粒细化，高温抗蠕变性能降低，但本实验结果相反，随着挤压道次增加，晶粒细化，抗高温蠕变性能提高，其原因是ECAP变形在细化晶粒的同时改变了晶界结构，使大量位错在晶界处塞积(如图9所示)，阻止位错进一步滑移，使位错缠结，晶界在高温下难以滑动，晶界在高温蠕变中起到强化作用.同时，第二相(Mg2Si、MgZn颗粒)在晶内和晶界的弥散分布，钉扎位错，使高温抗蠕变性能提高.

图9 试样ECAP变形后的晶界结构

3 结 论

1)ECAP对Mg-Zn-Si合金的基体组织和汉字状Mg2Si相均具有显著的细化作用.Mg2Si相细化机制主要是受剪切而机械碎断.随着挤压道次增加,组织更趋均匀.

2)铸态Mg-Zn-Si合金中汉字状Mg2Si相与α-Mg相界面成为裂纹源和裂纹扩展通道，导致其力学性能低.ECAP变形后，由于镁基体得到细化，特别是第二相Mg2Si显著细化并在基体中均匀分布，降低了Mg2Si相对基体的割裂作用，并起到钉扎位错的作用，大幅度提高了合金室温力学性能.

3)ECAP变形不仅细化了组织而且改变了晶界结构，位错及第二相对晶界的钉扎作用大于晶粒尺寸减小导致蠕变性能降低的影响，抗高温蠕变性能得到提高.

[1] NAGHDI F, MAHMUDI R. Impression creep behavior of extruded Mg-4Zn-0.5Ca and Mg-4Zn-0.5Ca-2RE alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 616: 161-170.

[2] MORDIKE B L, EBERT T. Magnesium: properties-applications-potential[J]. Materials Science and Engineering A, 2001, 302(1): 37-45.

[3] YAN Kai, SUN Yangshan, BAI Jing, et al. Microstructure and mechanical properties of ZA62 Mg alloy by equal-channel angular pressing[J]. Materials Science and Engineering A, 2011, 528(3): 1149-1153.

[4] 袁广银，刘满平，王渠东，等. Mg-Al-Zn-Si合金的显微组织细化[J].金属学报,2002,38(10):1105-1108.

YUAN Guangyin, LIU Manping, WANG Qudong, et al. Microstructure refinement of Mg-Al-Zn-Si alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2002, 38(10): 1105-1108.

[5] CONG Mengqi, LI Ziquan, LIU Jinsong, et al. Effect of Ca on the microstructure and tensile properties of Mg-Zn-Si alloys at ambient and elevated temperature[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2012, 539: 168-173.

[6] 屠涛，李保卫，罗光彩，等.含Si耐热镁合金中Mg2Si相的研究进展[J].铸造技术,2015,36(3): 600-603.

TU Tao, LI Baowei, LUO Guangcai, et al. Research status on Mg2Si phase in Si-contained heat-resistant magnesium alloy[J]. Foundry Technology, 2015,36(3):600-603.

[7] 宋海宁，袁广银，王渠东，等.耐热Mg-Zn-Si-Ga合金的显微组织和力学性能[J].中国有色金属学报，2002，12(5): 956-960.

SONG Haining, YUAN Guangyin, WANG Qudong, et al. Microstructure and mechanical properties of heat resistant Mg-Zn-Si-Ga alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2002,12(5):956-960.

[8] 汪洋，张修庆，陈舸，等.热挤压及时效对Mg-Zn-Si-Ga镁合金显微组织和力学性能的影响[J].热加工工艺，2013， 42(8): 163-166.

WANG Yang, ZHANG Xiuqing, CHEN Ge, et al. Effects of hot extrusion and aging on microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Si-Ga magnesium alloy[J]. Hot Working Technology, 2013,42(8):163-166.

[9] FIGUEIREDO R B, LANGDON T G. Principles of grain refinement and superplastic flow in magnesium alloys processed by ECAP[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 501(1/2): 105-114.

[10] JAHADI R, SESIGHI M, JAHED H. ECAP effect on the micro-structure and mechanical properties of AM30 magnesium alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 593: 178-184.

[11] FIGUEIREDO R B, LANGDON T G. The development of superplastic ductilities and microstructural homogeneity in a magnesium ZK60 alloy processed by ECAP[J]. Materials Science and Engineering A, 2006, 430(1/2): 151-156.

[12] 罗小萍，张敏刚，柴跃生，等.铸态AZ81镁合金ECAP态组织与性能研究[J].材料科学与工艺,2012,20(3):72-76.

LUO Xiaoping, ZHANG Mingang, CHAI Yuesheng, et al. Microstructure and mechanical properties of cast AZ81 magnesium alloy processed by equal channel angular pressing[J].Materials Science and Technology, 2012, 20(3):72-76.

[13] DUMITRU F D, HIGUERA-COBOS O F, CABRERA J M. ZK60 alloy processed by ECAP: microstructural, physical and mechanical characterization[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 594: 32-39.

[14] 何运斌，潘清林，刘晓艳，等.镁合金等通道转角挤压过程中的晶粒细化机制[J].中国有色金属学报, 2011, 21(8): 1785-1793.

HE Yunbin, PAN Qinglin, LIU Xiaoyan, et al. Grain refinement mechanism of magnesium alloy during equal channel angular pressing process[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(8): 1785-1793.

[15] GAN W M, WU K, ZHENG M Y, et al. Microstructure and mechanical property of the ECAPed Mg2Si/Mg composite[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 516(1/2):283-289.

[16] 韩富银，王平，田林海，等.等通道转角挤压对耐热镁合金AZ61-4Si组织及性能的影响[J].稀有金属材料与工程, 2013,42(7): 1497-1501.

HAN Fuyin, WANG Ping, TIAN Linhai, et al. Effect of equal channel angular pressing on microstructure and properties of AZ61-4Si heat-resistant magnesium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2013,42(7):1497-1501.

[17] SEGAL V M. Equal channel angular extrusion: from macromechanics to structure formation[J]. Materials Science and Engineering A, 1999, 271(1/2): 322-333.

[18] 林娜，杨开怀，陈文哲.析出相对AZ91D挤压镁合金PLC效应的影响[J].材料热处理学报, 2016, 37(2): 25-30.

LIN Na, YANG Kaihuai, CHEN Wenzhe. Influence of precipitation on PLC effect of AZ91D pressed magnesium alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2016, 37(2): 25-30.

[19] 熊少敏，张青川，曹鹏涛，等. 2024铝合金中沉淀相对PLC效应的影响[J].金属学报, 2009, 45(7): 892-896.

XIONG Shaomin, ZHANG Qingchuan, CAO Pengtao, et al. Effect of precipitate on PLC effect in 2024 Al alloy[J].Acta Metallurgica Sinica, 2009, 45(7): 892-896.

[20] ZHANG J S, LI P E, JIN J Z. Combined matrix/boundary precipitation strengthening in creep of Fe-15Cr-25Ni alloys[J]. Acta Metallurgica et Materialia, 1991, 39(12): 3063-3070.

[21] 孙泰礼，谢君，郭华，等.热挤压AZ31镁合金的组织结构与蠕变行为[J].材料科学与工艺,2012,20(1):62-67.

SUN Taili, XIE Jun, GUO Hua, et al. Microstructure and behaviors of hot extrusion AZ31 magnesium alloy[J]. Materials Science and Technology,2012,20(1):62-67.

EffectofECAPonmicrostructureandpropertiesofMg-Zn-Siheat-resistantmagnesiumalloy

HAN Fuyin, ZHANG Jun, ZHANG Yi, YANG Baocheng, MA Ying

(School of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to improve the heat resistance of magnesium alloy, Si is added to the Mg-Zn alloy to form Mg-Zn-Si magnesium alloy. The ECAP deformation of Mg-Zn-Si magnesium alloy was carried out under different conditions of deformation temperature of 573 K and extrusion path of Bc. The microstructure of the ECAPed Mg-Zn-Si magnesium alloy was examined by optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The mechanical properties of the ECAPed alloys were detected by room temperature tensile and high temperature creep tests. Results show that all the average sizes of the α-Mg phase, Mg-Zn phase and Mg2Si phase are reduced and their distribution become uniform with increasing the extrusion passes. After 1-pass ECAP, part of the α-Mg matrix is refined. The grain size of the α-Mg phase is decreased to 5～10 μm and tends to be well-distributed after 4-pass ECAP. The Mg2Si dendrites are crushed into granular shape after 2 pass ECAP, and dispersed after 6 and 8 pass ECAP. The yield strength and the ultimate tensile strength of the 4 pass ECAPed alloy increase by 120%, and its elongation increases by 353%; Compared with the 4 pass ECAPed alloy, the ultimate tensile strength and the elongation of the 8 pass ECAPed alloy almost remain unchanged, whereas its yield strength further increase by 19%. With increasing the ECAP passes, the high temperature creep resistance of the alloy is improved. The steady-state creep rate at high temperature of the 8 pass ECAP sample is 5 times lower than that of the as-cast sample. The refinement of Mg2Si phases can be attributed to the mechanical crushing induced by shear deformation.

heat-resistant magnesium alloy; Mg2Si phase; equal channel angular pressing; mechanical properties; microstructures

2016-10-17. < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间: 2017-09-11.

国家自然科学基金资助项目(51301118).

韩富银(1966—)，男，博士，副教授.

韩富银，E-mail：hfyty@126.com.

10.11951/j.issn.1005-0299.20160341

TG146.2

A

1005-0299(2017)06-0009-07

(编辑程利冬)