喷射沉积Mg—12.55Al—3.33Zn—0.58Ca—1.0Nd合金力学性能研究

王营霞

摘 要：利用喷射沉积技术制备了新型Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金，经热挤压工艺得到最终试验合金，采用维氏硬度计（OM）、扫描电镜（SEM）、拉伸试验等方法研究了试验合金的力学性能。试验结果表明：挤压态试验合金的硬度值为114.3HV，抗拉强度为450MPa，屈服强度为325MPa，延伸率为5%；固溶处理以后，硬度值降为95.7HV；经时效处理以后，硬度值上升至106.3HV，抗拉强度变为426MPa，屈服强度降至296MPa，延伸率为6%；挤压态合金和时效态合金均为脆性断裂。

关键词：喷射沉积；镁合金；硬度；屈服强度；抗拉强度

中图分类号：TG146 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0074-03

Abstract： A new type of Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd alloy was prepared by spray deposition， and the final test alloy was obtained by hot extrusion. The mechanical properties of the alloy were studied by means of Vickers hardness tester（OM）， scanning electron microscope （SEM） and tensile test. The results show that the hardness， tensile strength， yield strength and elongation of the extruded alloy are 114.3 HV， 450 MPa， 325 MPa and 5 % respectively； after solution treatment， the hardness value decreased to 95.7 HV； after aging treatment， the hardness value increased to 106.3 HV， the tensile strength increased to 426 MPa， the yield strength decreased to 296 MPa， and the elongation reached 6 %； both extruded and aged alloys are brittle fracture.

Keywords： spray deposition； magnesium alloy； hardness； yield strength； tensile strength

由于镁及镁合金密度低，质量轻，可以回收，回收率高，新型环保，比强度高，易切削，电磁屏蔽性能优良，在航空航天、汽车制造、军工制造等领域的用途越来越广泛[1-2]。随着镁合金的普遍应用，镁合金的传统制造工艺也面临着巨大挑战。喷射沉积制备工艺是一种新型的镁合金制备方法[3]。该方法制备的镁合金可以获得纯度较高、成分均匀、晶粒细小、性能优良的镁合金，可以避免传统制造工艺中的开裂、氧化、气孔等问题，加速镁合金在精密制造中的应用[3]。在喷射沉积制备过程中，加入价格便宜、性能优良的的Ca元素和稀土元素Nd，可以细化晶粒，增加强度，明显改善合计的力学性能[4-6]。

1 实验

采用喷射沉积方法制备Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金坯锭。在制备过程中加入氮气防止氧化。然后经热挤压方式把合金坯锭挤压成棒材，取心部稳定组织，经350℃完全退火4h后随炉冷却，然后制备硬度试样及拉伸试样，把试样分别在515℃固溶2h后水淬，再经180℃时效保温12小时。利用AVK-HV维氏硬度计和S-3400扫描电子显微镜配套试验拉伸机，分析热处理工艺中镁合金的力学性能变化规律。

2 结果与讨论

2.1 合金硬度变化规律

喷射沉积制备的新型镁合金在挤压状态、固溶状态、时效状态的硬度变化规律如表1所示。

由表1可知试验合金在各个状态的硬度变化规律。挤压态镁合金在所有状态中硬度值最大，为114.3HV，说明通过热挤压工艺可以使合金变得致密，明显提高合金的硬度；经完全退火处理后合金的硬度值有所下降，分析原因可能是退火消除了热挤压过程中的内应力和加工硬化，在一定程度上使合金变得均匀。经固溶处理后合金的硬度值急剧下降，达到了所有状态的最低值为95.7HV，这是由于固溶使大部分硬质相Al2Ca固溶于α-Mg基体中所致；而在时效热处理时期，随着Al2Ca相的再次析出，硬度值又缓慢回升，直至时效峰值106.3HV，随后又缓慢下降。但时效峰值相对于挤压态来说，硬度值还是略有下降。

综上分析可知，热挤压试验合金的硬度值很高；热处理工艺虽然能改善合金的组织，但是由于Al2Ca相数量的相对减少，合金的硬度值反而下降。合金强度的提高主要以Al2Ca相的弥散强化作用为主，故热处理工艺对于合金硬度的提高贡献不大。

2.2 拉伸试验结果分析

喷射沉积制备的新型镁合金在挤压状态、时效状态的拉伸结果变化规律如表2所示。

由上表可以看出：室温拉伸时，挤压态和时效态的抗拉强度和屈服强度都比较高，这是因为挤压态与时效态的组织都比较细密；而时效态与挤压态相比，抗拉强度略微降低，屈服强度也降低，是因为固溶使Al2Ca相大量溶入α-Mg基体中，在时效过程中只有部分析出，弥散强化效果减弱所致。与此同时，时效态相对于挤压态来说，两者的延伸率只上升了1%，这与抗拉强度降低基本相符合。进行时效处理时，固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过程中发生分解并析出第二相。结合试验合金的硬度变化规律可知，挤压态的第二相数量多，硬度值很高，則抗拉强度也很大；经过515℃固溶2h以后，大量第二相溶入基体中，在时效12h时只有部分析出，故第二相弥散强化效果减弱。

2.3 断口形貌分析

磨损、腐蚀和断裂是机件失效的三种主要形式，其中断裂对于合金材料的使用过程危害最大。在应力作用以及其他热处理过程中，金属材料可能会发生以下两种断裂的情况：被分成两个或者更多部分的称为完全断裂；内部存在裂纹的则称为不完全断裂。研究金属材料发生完全断裂（简称断裂）的宏观、微观特征，分析金属材料断裂机理，尤其是材料内部无裂纹存在时，分析裂纹如何形成与扩展的，研究材料断裂的力学条件以及内外影响因素，对于使用镁合金材料进行安全设计及应用，具有很大意义。

图1为挤压态微观组织形貌图，由图（a）可以观察到：挤压态断口有极少数量类似韧窝的深坑，断口有较大浮凸，是断裂过程中大颗粒的Al2Ca相整体分离出去的结果。虽然Al2Ca相能增加试验合金的硬度，令其抗拉强度增强，但是由于一些Al2Ca相大颗粒与基体的结合力相对较弱，容易与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚集就形成显微裂纹，在进行拉伸试验的时候断裂首先在此处发生，沿着Al2Ca相与基体的界面处断裂，形成SEM图片上类似韧窝的深坑。而正是由于这些微裂纹的存在，才会导致合金的塑、韧性下降。由图1（b）可以看到在断口表面有少量的椭圆形韧窝，还可以看到有大量的撕裂棱分布在断裂解理面上，而且还有大量沿晶刻面存在，说明在外加压力的作用下，挤压态合金发生了沿晶断裂，这主要是由于大量的第二相分布在基体上，破坏了晶界的连续性所致。但是在两个断口上都没有看到裂纹的存在，说明裂纹还来不及扩展就发生了突然断裂，说明挤压态的断裂方式为脆性断裂。

图2为时效态的断口微观形貌图。从整个断口的微观形貌来看，时效态合金相比于挤压态合金的微观组织比较均匀而且细密。和挤压态合金一样，在时效态合金的断口SEM图上看不到微裂纹，说明时效态合金在外力作用下也是发生了突然断裂，说明时效态合金也是脆性断裂。

图2（a）对比于图1（a）其表面深坑数量减少，这是由于热处理过程使合金的组织分布均匀化，时效过程使晶粒和第二相颗粒细化、均匀分布的原因。同时由图2（b）可以观察到大量细小的Al2Ca相以点状弥散分布在α-Mg基体中。这很好地解释了合金在固溶过程中第二相的回溶，在时效过程中再次脱溶析出，均匀分布在基体上，起到时效强化的作用。由于热处理工艺使Al2Ca相和其它颗粒相在基体上弥散分布，减少了其在晶界处偏聚而引起的晶界破坏，所以其塑性和韧性略有增加。但是在时效過程中，Al2Ca相只有部分析出，所以时效态合金的抗拉强度相比挤压态还是略有所下降。

3 结论

喷射沉积制备的Mg-Al-Zn-0.58Ca-1.0Nd合金试样，经热挤压、固溶处理、时效处理后，合金中的力学性能变化不明显，均为脆性断裂。

参考文献：

[1]吴国华，陈玉狮，丁文江.镁合金在航空航天领域研究应用现状与展望[J].载人航天，2016，22（3）：281-292.

[2]周惦武，庄厚龙，刘金水，等.镁合金材料的研究进展与发展趋势[J].河南科技大学学报（自然科学版），2004，25（3）：14-18.

[3]王文明，潘复生，曾苏民，等.喷射成行技术的发展概况及展望[J].重庆大学学报，2003，3（2）：87-89.

[4]董太尚，白朴存，侯小虎，等.喷射沉积Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金组织与力学性能研究[J].稀有金属材料与工程，2011，40（4）：689-692.

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