Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd镁合金的铸态显微组织和拉伸性能

钟罗喜，杨明波

（重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054）

铸造镁合金作为镁合金材料的一个重要系列，其在汽车和航空航天等领域的应用前景是相对较为广阔的。然而，现有铸造镁合金的力学性能还难以满足工业上对高强度镁合金的要求［1-2］。因此，在原有技术的基础上，亟待研究开发出高强高韧的新型铸造镁合金。Mg-Y-RE基镁合金是一种拥有较好市场前景的高强高韧铸造镁合金，其研究开发备受国内外的关注和重视［3-7］。然而，目前国内外针对Mg-Y-RE基铸造镁合金的研究主要涉及的还是WE54（Mg-5.4Y-2.3Nd-1.6Gd-0.5Zr）和 WE43（Mg-4Y-3Nd-0.5Zr）等 Mg-YNd基镁合金［8］。众所周知，Dy元素的物理化学性质与Nd元素相近，都具有优良的固溶强化效果，有研究表明，当2种不同的稀土元素同时加入到镁合金中时，会降低对方在镁中的固溶度，同时改变时效析出过程，并且会发生彼此互溶，最后渗入到对方的析出相中，从而达到提高合金的时效强化效果的要求［9］，预计Mg-Y-Dy基镁合金应该具有和Mg-Y-Nd基镁合金相近的力学性能。因此，以现有Mg-Y-Nd基铸造镁合金的研究开发为前提，对Mg-Y-Dy等其他Mg-Y-RE基高强铸造镁合金的设计方法、制备手段及其显微组织和拉伸性能展开研究，对于Mg-Y-RE基高强铸造镁合金的开发以及后续的扩大其应用价值具有重要作用。研究表明：稀土元素Gd与镁一样，均属于密排六方晶体结构，因此在镁中有较大的平衡固溶度，其时效硬化特性相对较高，是一种比较典型的析出强化元素［10］，其次，Zn可以保证熔融态合金时的流动性，还可以改善合金的铸造性能，并能抑制位错的非基面滑移，最终提高合金的蠕变强度［11］。因此，同时添加 Zn和 Gd合金化和／或微合金化的方法可改善Mg-Y-Nd基镁合金的拉伸性能。基于此，本文在参考WE43镁合金成分的基础上，设计和制备了 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd铸造镁合金，并对其显微组织和拉伸性能进行了研究，以期为Mg-Y-Dy基高强铸造镁合金的开发提供前期研究基础。

1 试验材料及试验方法

按表1所设计的化学成分配制试验镁合金。在合金制备时，考虑了化学元素的烧损，因此制备的试验镁合金的实际含量与设计的含量出入不大。配置试验镁合金的原材料分别为工业纯Mg和纯 Zn（＞99.9 wt%）以及 Mg-28 wt%Y、Mg-25 wt%Dy、Mg-30 wt%Zr和Mg-30 wt%Gd中间合金。试验合金选择在井式坩埚电阻炉中进行熔炼，熔炼温度在750～780℃范围，采用熔剂来保护。合金在熔化之后，先进行人工搅拌，再加入镁合金专用精炼剂进行精炼大约5 min。精炼结束后将炉体温度降低至700～720℃，静置15 min，再浇注到已预热的金属模具中，待其冷却凝固后打开模具取样，再做组织分析和性能检测。此外，为了观察试验镁合金的晶界，对其进行了500℃×12 h＋水淬的固溶热处理。进一步，在耐驰STA 449F3型差热分析仪上对试验镁合金进行了DSC差热分析试验。差热分析时分3个阶段：第1阶段是升温阶段，升温速率为10℃／min，并加热到700℃；第2阶段是保温阶段，保温时间为3 min；第3阶段为降温阶段，以10℃／min的速率冷却至室温。试验镁合金采用的腐蚀液是8%硝酸酒精溶液，在Olympus光学显微镜和配有 EDS装置的 Zeiss Sigma HD场发射扫描电镜上观察显微组织，在40 kV和40 mA下用DX-2500型X射线衍射仪分析试验合金的相组成，而合金的室温拉伸性能测试在CMT5105拉伸试验机上进行，其中拉伸速率分别为3 mm／min。

表1 试验镁合金的实际成分 wt%

2 试验结果与分析

2.1 铸态显微组织

图1为 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金铸态组织的XRD图谱。从图1可知，试验镁合金的铸态组织相组成为α-Mg、Mg3Dy17以及Mg24Y5。在图1中还可以看到，含Gd的1＃合金铸态组织中的Mg24Y5相和Mg3Dy17相的衍射峰强度比较高，而含Zn的2＃和3＃合金铸态组织中 Mg24Y5相和Mg3Dy17相的衍射峰强度相对较弱。上述结果表明：只含Gd或Zn以及同时含Gd和Zn的Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd镁合金中，第2相的数量会有一定的差异。可能的因素主要有：添加的Gd元素，可与Y和Dy相互作用，从而降低彼此在镁合金中的固溶度，便促进了Mg24Y5相和Mg3Dy17相析出；也可能是与Zn添加后合金析出相中出现的Mg12YZn相有关，只不过由于其数量相对较少从而导致没被XRD检测分析到。

图1 试验合金铸态组织的XRD结果

图2 是Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金铸态组织的金相照片。从图2可以看出，试验合金的铸态组织均呈现出典型的枝晶状形态。进一步从图2看到：仅含Gd的1＃合金为明显的等轴枝晶结构，组织较为细小，而含Zn的2＃和3＃合金铸态组织中存在明显的柱状枝晶结构，组织较为粗大。上述结果说明：仅含Gd或Zn以及同时含Gd和Zn的 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd镁合金铸态组织在晶粒尺寸上存在差异。这可以从试验合金的固溶热处理组织照片中得到进一步证实。图3为Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金 500℃ ×12 h固溶处理后的金相照片，并且依据晶粒测量结果，与图3（a）（b）和（c）对应合金的平均晶粒尺寸分别为（18±0.3）μm、（33±0.5）μm和（50±0.8）μm。很显然，含Gd的1＃合金的晶粒较为细小，含Zn的2＃和3＃合金的晶粒较为粗大，而其中又以同时含Gd和Zn的3＃合金的晶粒最为粗大。图4显示了Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd铸态试验合金热分析DSC冷却曲线。从图4可以看到：含Gd的1＃合金的开始结晶温度Tl为636.1℃，而含Zn的2＃和3＃合金的开始结晶温度比较接近，分别为643.8℃和641.7℃。根据经典凝固理论，临界形核半径r*与过冷度ΔT间的关系可表示为［12］：

式中：σ是界面能；Tm是平衡结晶温度；Lm是热焓，ΔT＝Tm-Tl。根据式（1），随着开始结晶温度Tl的减小，过冷度增大，临界形核半径减小，形核率增加，从而导致晶粒和化合物细化。很显然，本文中不同试验合金的晶粒尺寸差异可能与开始结晶温度不同导致过冷度不同有关。

图2 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd合金铸态组织的金相照片

图3 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd合金固溶处理后的金相照片

图4 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Gd／Zn合金的DSC冷却曲线

表2 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd铸态合金EDS结果（原子百分比） %

图5和图6分别为 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金铸态组织的低倍和高倍SEM图。

图5 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Gd／Zn合金铸态组织的低倍SEM图

图6 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Gd／Zn合金铸态组织的高倍SEM图

从图5和图6可以看到：仅含Gd的1＃合金组织中第二相数量较少，而含Zn的2＃和3＃合金组织中第二相数量较多。结合试验合金的EDS结果分析（见表2），进一步从图5和6中可以看到：仅含Gd的1＃合金在晶界上存在明显Y、Gd和Dy元素富集，组织中呈颗粒状的细小第二相主要为Mg24Y5以及 Mg3Dy17相，而含 Zn的 2＃和 3＃合金在晶界没有观察到明显的Y、Gd和Dy元素富集，组织中呈颗粒状和片层状的较为粗大的第二相分别为Mg24Y5、Mg3Dy17和Mg12YZn相。先前的研究表明［10］：在含Y的镁合金中添加Zn会形成Mg12YZn相，说明本文含 Zn的2＃和3＃合金组织中存在Mg12YZn相与已有的研究结果吻合。根据上面的结果并结合XRD分析（见图1），基本上可以断定：仅含Gd或Zn以及同时含 Gd和Zn的 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd镁合金中第二相的数量和类型都存在一定的差异。很显然，不同试验镁合金在第二相数量、类型及形貌上的差异必然也会影响到合金的力学性能。

2.2 铸态拉伸性能

表3列出了 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金铸态下的室温拉伸性能。从表3可以发现，仅含Gd的1＃合金具有最优良的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率，其次依次是含Zn的2＃合金和3＃合金。众所周知，工程合金的组织越细小，其力学性能就越高。由上面的结果可知，含Gd的1＃合金的晶粒较为细小，含Zn的2＃和3＃合金的晶粒较为粗大，而其中又以同时含Gd和Zn的3＃合金的铸态晶粒最为粗大。相应地，Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金展示了不同的室温拉伸性能。当然，不同合金铸态组织中第二相在数量、类型及形貌上的差异必然也会影响到合金的力学性能，其可能的原因如下：一方面是由于含Zn的2＃合金和3＃合金组织中第二相数量较多，在拉伸变形过程中，更加容易造成应力集中，从而造成第二相破裂或脱离基体形成微孔，进而导致微裂纹生成；另一方面也可能是由于含Zn的3＃合金组织中第二相更为粗大且棱角更为尖锐（见图6c），也会造成拉伸变形过程中容易在棱角附近造成高度应力集中，从而导致裂纹产生。图7是Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金铸态下室温拉伸断口的SEM照片。从图7可以看到，仅含Gd的1＃合金的拉伸断口形貌上出现比较多明显的撕裂棱和少量的韧窝，与韧性断裂的特征形貌相似，说明合金的断裂方式为解理和／或准解理断裂，而这也与含Gd的1＃合金具有最高的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率是吻合的。而含Zn的2＃合金和3＃合金的拉伸断口虽然也有少量的韧窝，但主要由解理面组成，说明合金的断裂方式也属于典型的解理断裂和／或准解理断裂［13］。

表3 试验合金的铸态室温拉伸性能

3 结论

1）在 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金中，含1.0 wt%Gd的试验合金主要是包括α-Mg、Mg3Dy17以及Mg24Y5相，而含0.2 wt%Zn和含0.2 wt%Zn＋1.0 wt%Gd合金则主要是 α-Mg、Mg3Dy17、Mg24Y5相以及少量的 Mg12YZn相。此外，含1.0 wt%Gd合金的铸态晶粒尺寸相对较为细小，含0.2 wt%Zn和含0.2 wt%Zn＋1.0 wt%Gd合金的铸态晶粒组织较为粗大，而其中又以含0.2 wt%Zn＋1.0 wt%Gd合金的铸态晶粒最为粗大。

2）在 Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-Zn／Gd试验镁合金中，以含1.0 wt%Gd合金具有相对较高的室温拉伸性能，然后依次是含0.2 wt%Zn和含0.2 wt%Zn＋1.0 wt%Gd合金。Mg-4Y-3Dy-0.4Zr-1.0Gd试验镁合金的室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别可以达到110 MPa、214 MPa和6.5%。