Mg-xZn-Y合金显微组织、力学性能与导热性能研究

胡延昆，李秋书，郭会玲，李建文，吴瑞瑞

(太原科技大学 材料科学与工程学院，太原 030024)

Mg-xZn-Y合金显微组织、力学性能与导热性能研究

胡延昆，李秋书，郭会玲，李建文，吴瑞瑞

(太原科技大学 材料科学与工程学院，太原 030024)

研究了Zn含量以及定向凝固拉伸速度对Mg-Zn-Y合金显微组织、力学性能和导热性能的影响。结果表明，Mg-xZn-Y(x=1,3,5%)合金组织主要由α-Mg相与Mg3Zn6Y相组成。随着随着Zn含量的增多，晶粒细化；定向凝固使组织由等轴晶或树枝晶向柱状晶转变，随着拉伸速度的增大，柱状晶宽度变窄。铸态合金的室温力学性能随着Zn含量的增加而增大，定向凝固合金的室温力学性能随着拉伸速度的增大而增大，当拉伸速度为100 um/s时，抗拉强度达到了260.2 MPa，相比于铸态合金，提高了44.1%；伸长率达到了14.46%，相比于铸态合金，提高了61.7%.铸态合金的热导率随着Zn含量的增加而减小，定向凝固合金的热导率随着拉伸速度的增大而减小，但是，相比于铸态合金，定向凝固合金的热导率均有所提高。

Mg-xZn-Y合金；显微组织；力学性能；导热性能

镁合金作为最轻质的结构材料，已经在诸多工程领域得到了广泛应用，特别是在汽车、航空航天以及电子产品领域。但是由于镁合金绝对强度、导热性能的不足，仍然限制了其在某些行业产品的应用，研究具有优良的力学性能以及高导热性能镁合金前景明朗[1-3]。Zn元素对于Mg而言是一种很好的合金化元素，一方面，它既能够细化合金的晶粒、改善合金的室温力学性能，又能与Y元素相结合形成金属间化合物，通过弥散强化，可以显著提高镁合金高温力学性能[4]；另一方面Zn与Mg原子半径相近，化合价相同，引起的晶格畸变较小，因此可以减小合金化对热导率的负面影响。稀土元素Y和Mg均为密排六方晶格，二者的晶格常数相近，原子半径也相差不大，熔体中Y可以成为异质结晶核心，起到细晶强化的作用，Y引起的晶格畸变较小，也不会对导热性能带来过多的影响[5]。

定向凝固技术是一种创新的凝固工艺，通过建立特定的温度梯度，控制单向热流，获得单晶或者柱状晶组织，从而制备出单向性能优异的材料[6]。因此，本文采用定向凝固工艺研究Mg-xZn-Y(x=1,3,5wt%)合金的力学性能与导热性能，为制备高强度、高导热镁合金提供理论依据以及有效途径。

1 实验方法

采用纯度为99.9%的镁锭、99.9%的锌粒和质量分数为Mg-30%Y中间合金在中频感应加热炉的石墨坩埚熔配Mg-xZn-1Y(x=1,3,5Wt%)系合金。实验合金的化学成分见表.熔炼前，对原料表面进行清理除杂并在电阻炉中预热至200 ℃.熔炼过程中不断通入纯度为99.999%的氩气进行保护，防止镁合金氧化。待中频感应加热炉的石墨坩埚加热至红热状态，放入预热的镁锭，720 ℃左右镁锭完全熔化后加入锌粒、Mg-30%Y中间合金，搅拌3～5 min使其均匀与镁熔体混合，持续加热至760 ℃，保温10～15min，然后停止加热。待温度降至700 ℃，加入RJ-2精炼剂，搅拌并扒渣，观察熔体表面干净、光亮，静止670 ℃，浇注于提前预热的金属模具中。浇注试样呈棒状，放入定向凝固设备，进行定向凝固实验，定向凝固技术采用区域熔化液态金属冷却法，加热系统简图见图1.

表1 理论实验合金的化学成分(%)

Tab.1 The chemical composition of the experimental alloys (%)

合金MgZnYMg⁃1Zn⁃Y余量1．01．0Mg⁃3Zn⁃Y余量3．01．0Mg⁃5Zn⁃Y余量5．01．0

试验完成后，对铸态合金横截面以及定向凝固试样纵截面进行打磨、抛光，然后用体积分数为4%.的硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜下进行组织观察，并采用Cu靶的X射线衍射仪进行物相分析，入射线波长为0.154 06 nm，扫描步长0.02°，扫描速度为0.3 s/步，扫描3 000步，扫描范围20～90°，发散狭缝3.03 mm；取长度为10 cm的试验棒，车床加工为标准拉伸试样，在万能试验机上进行力学拉伸试验，拉伸速率1.0 mm/min；取长度为10 cm的试验棒，表面加工，保证光亮平滑，使用TH2512型智能直流低电阻测试仪测试电阻，通过电导率与电阻率的关系，计算得出试样的热导率。计算运用魏德曼-弗兰兹定律数学表达式：

(1)

(其中，λ是金属的热导率，σ是金属的电导率，T是绝对温度，室温时T=293 K，L0是洛伦兹数，L0=2.45×10-8W·Ω/K2).

图1 定向凝固加热系统简图Fig.1 The schematic diagram of directional solidification syetem

2 结果与讨论

2.1 显微组织及相结果讨论

不同Zn含量的铸态Mg-Zn-Y合金的金相显微组织如图2所示。

(a) 1% (b)3%(c) 5%图2 不同Zn含量的铸态Mg-Zn-Y合金的显微组织Fig.2 The microstructure of as-cast Mg-Zn-Y alloys with different Zn contents

可以看出，合金组织主要由呈现不规则多边形等轴晶和伴有少量树枝晶的初生α-Mg基体相以及在基体或晶界处分布的不连续黑色点状第二相组成。随着Zn含量的增多，显微组织的晶粒尺寸不断减小，少量的树枝晶也逐渐细化，可见Zn能起到细化铸态合金晶粒的作用。此外，随着Zn含量的增多，弥散析出第二相数量增多，分布也更加均匀。

图3是铸态下Mg-Zn-Y合金SEM图及EDS分析。图4是不同Zn含量的铸态合金XRD图。由SEM图可以看出析出相在α-Mg基体以及晶界处分布，呈白色颗粒状；由EDS分析结果可知，白色析出相主要含有Mg、Zn和Y元素；结合XRD衍射图谱，可以确定析出的第二相为Mg3Zn6Y.随着Zn含量的增多，第二相衍射峰逐渐增强，表明第二相数量上的增多，这与图2相一致。

图3 铸态Mg-Zn-Y合金SEM图及EDS分析

定向凝固下不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的金相显微组织如图5所示。可以看出，与铸态组织相比，定向凝固组织的晶粒大小以及形态发生了明显的变化，细小的等轴晶粒演化为粗大的柱状晶。并且随着拉伸速度的不断增大，定向凝固合金组织也发生相应的变化，表现为柱状晶晶粒尺寸减小，尤其是组织宽度明显降低；晶粒生长方向与轴向逐渐出现偏差；晶粒分布的均匀性降低以及晶界的连续性也逐渐变差；这主要是因为：一方面，单向热流下不同拉伸速度下晶粒的生长速度不同，在定向凝固结晶过程中，存在溶质再分配引起的成分过冷，界面前沿在不同的拉伸速度下成分过冷区域宽度不同，并且拉伸速度越大成分过冷区域越大，非均质形核能力越强[7]；另一方面，随着拉伸速度的不断增大，生长速度不断增大，导致组织生长的不规则性逐渐增加。此外，随着拉伸速度的不断增大，弥散分布的第二相也逐渐增多。

图4 不同Zn含量的铸态Mg-Zn-Y合金的XRD图Fig.4 The XRD diagram of as-cast Mg-Zn-Y alloy with different Zn contents

(a) 0 um/s (b)5 um/s (c)10 um/s (d)25 um/s (e)50 um/s (f)100 um/s图5 不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的金相显微组织Fig.5 The microstructure of Mg-3Zn-Y alloy with different stretching rates

2.2 力学性能结果讨论

2.2.1 Zn含量对铸态 Mg-xZn-Y合金室温力学性能的影响

实验采用GB/T16865-1997标准，专门用于铝、镁及其合金材拉伸试验选取试样。

试验合金的拉伸试样尺寸如图6所示。不同Zn含量铸态合金的室温力学性能如图7所示。结果表明，当Zn含量为1%～5%时，合金的抗拉强度和伸长率均随着Zn含量的增加而增大，并且，当Zn含量为5%时，最大抗拉强度为198.90Mpa，伸长率为10.07%.

图6 试验合金的拉伸试样尺寸Fig.6 The tensile sample size of test alloy

图7 不同Zn含量铸态 Mg-Zn-Y合金的室温力学性能Fig.7 The mechanical properties of as-cast Mg-Zn-Y alloy with different Zn contents at room temperature

含Zn镁合金室温力学性能的提高得益于第二相Mg3Zn6Y的弥散强化作用与Zn元素本身的细晶强化作用[8-9]。弥散分布的第二相能够有效地阻止位错的滑移，同时，在凝固前沿富Zn导致成分过冷，促进异质形核，阻碍了晶粒的长大，因此两种强化机制共同使得力学性能提高。

2.2.2 拉伸速度对 Mg-3Zn-Y合金室温力学性能的影响

不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的室温力学性能如图8所示，结果表明，合金的抗拉强度和伸长率的变化规律相同，均随着拉伸速度的增大而增大，并且，当拉伸速度为100 um/s时，抗拉强度达到了260.2 MPa，相比于铸态合金，提高了44.1%；伸长率达到了14.46%，相比于铸态合金，提高了61.7%.可见定向凝固可以显著提高Mg-Zn-Y合金室温力学性能。

图8 不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的室温力学性能

定向凝固工艺改变了试验合金的组织形态，使得等轴晶或树枝晶组织演化为柱状晶组织，从而消除了横向晶界，由于横向晶界垂直于主应力方向，往往容易形成裂纹，导致力学性能严重下降，因此定向凝固大大提高了材料的单向力学性能[10]。由于随着拉伸速度的增大，柱状晶组织不断细化，弥散分布的第二相增多，细晶强化与弥散强化作用，使得力学性能进一步提高。

2.3 导热性能结果讨论

2.3.1 Zn含量对铸态 Mg-xZn-Y合金导热性能的影响

表二为Zn含量与导热系数的关系。图9所示为不同Zn含量铸态合金的导热性能，结果表明，当Zn含量为1%～5%时，合金热导率随着Zn含量的增加而减小。并且，Zn含量增加对热导率的影响十分明显，呈线性下降趋势。

表2 Zn含量与导热系数的关系

Fig.9Thethermalconductivityofas-castMg-Zn-YalloywithdifferentZncontents

一般而言，合金的导热性能主要与电子和声子(晶格振动)的传输有关，而晶格畸变是电子和声子传输的障碍[11-12]。合金元素与基体元素存在原子尺寸或者化合价的差异，因此合金元素的加入，无论是作为固溶原子还是形成第二相，必然引起晶格畸变，并且合金元素含量越高，晶格畸变越大，导热性能越差。

2.3.2 拉伸速度对Mg-xZn-Y合金导热性能的影响

不同拉伸速度下Mg-xZn-Y合金的导热性能如图10所示。

图10 不同拉伸速度下Mg-xZn-Y合金的导热性能

结果表明，合金的导热性能随着拉伸速度的增大而减小。但是，相比于铸态合金，定向凝固合金的热导率均有所提高。以Mg-3Zn-Y合金为例，当拉伸速度为100 um/s时，定向凝固热导率最低为128.64 W/(m·K)，,比铸态合金提高了13.1%；当拉伸速度为5 um/s时，合金的热导率最高达到了149.73W/(m·K)，比铸态合金提高了36.0%.固溶原子和第二相引起的晶格畸变，晶体缺陷如空位、位错和界面等因素都会阻碍电子和声子的传输，形成热阻，导致热导率降低[13-14]。定向凝固的柱状晶组织，减少或消除了横向晶界，方向性好，成为导热的优化通道，导热性能明显提高。但是随着拉伸速度的增大，柱状晶趋逐渐减弱，最后甚至无法形成柱状晶，并且形成的柱状晶也逐渐细化，第二相弥散分布也增多，热阻也逐渐增大，导致热导率的逐渐降低。

3 结 论

(1)Mg-xZn-Y合金组织主要由α-Mg基体相与第二相Mg3Zn6Y相组成；Zn可以细化铸态合金组织，随着随着Zn含量的增多，晶粒细化，弥散析出第二相数量增多，分布也更加均匀；定向凝固能够使铸态合金组织由等轴晶或树枝晶向柱状晶转变，随着拉伸速度的增大，柱状晶细化，宽度变窄。

(2)铸态合金的室温力学性能随着Zn含量的增加而增大，并且，当Zn含量为5%时，最大抗拉强度为198.9 Mpa，伸长率为10.07%；定向凝固合金的室温力学性能随着拉伸速度的增大而增大，并且，当拉伸速度为100 um/s时，抗拉强度达到了260.2 Mpa，相比于铸态合金，提高了44.1%；伸长率达到了14.46%，相比于铸态合金，提高了61.7%.

(3)铸态合金热导率随着Zn含量的增加而减小；定向凝固合金热导率随着拉伸速度的增大而减小，但是，相比于铸态合金，定向凝固合金的热导率均有所提高。

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Microstructure,MechanicalPropertiesandThermalCondutivityofMg-xZn-YAlloy

HU Yan-kun, LI Qiu-shu, GUO Hui-ling, LI Jian-wen, WU Rui-rui

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

In this paper, the effects of Zn content and stretching rate of directional solidification on the microstructure, mechanical properties and thermal conductivity of Mg-Zn-Y alloy were studied. The results show that the Mg-xZn-Y (x=1,3,5wt%) alloy is mainly composed of α-Mg与Mg3Zn6Y. With the increasing of Zn content, grains are refined; directional solidification changes the microstructure from equiaxedequated crystal or dendrite to columnar crystal, with the increasing of stretching rate, the columnar crystal was becoming becomes finer. The mechanical properties of as-cast alloy increases with the increasing of Zn content; the mechanical properties of directionally solidified alloy increases with the increasing stretching rate increasing, when the stretching rate is 100 um/s, tensile strength reaches 260.2 MPa, compared comparing with the as-cast alloy enhanced by 44.1%.The thermal conductivity of as-cast alloy decreases with the increasing of Zn content and the thermal conductivity of directionally solidified alloy decreases with the increasing of stretching rate, but compared comparing with the as-cast alloy, the thermal conductivity of directionally solidified alloy is improved.

Mg-xZn-Y alloy， microstructure， mechanical property， thermal conductivity

1673-2057(2018)01-0048-06

2016-11-11

晋城市科技计划项目( 201501004-13) ,山西省研究生教育创新项目(2016BY137)

胡延昆(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为轻质高强金属结构材料；通讯作者：李秋书教授,E-mail：liqiushu@sina.com.

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2018.01.009