挤压变形Mg-Y-Zn合金组织演变

2020-12-31任院生郭新汝

中国金属通报 2020年8期

任院生，郭新汝

（1.山东南山铝业股份有限公司三碳素厂，山东烟台 265700；2.航鑫材料科技有限公司，山东烟台 265700）

近些年来，镁（Mg）合金由于其低密度，高比强度，和优良的铸造性能和机械加工性能而备受关注，在汽车、航天航空和国防领域有非常广阔的应用前景[1]。其中，LPSO结构Mg-Zn-Y合金由于其优异的强度-塑性配合而备受关注。已经有研究表面[2，3]，Mg-Zn-Y合金优异的力学性能与其特有的强化相有关，分别是：I相（Mg3Zn6Y，二十面准晶结构）、X相（Mg12Y1Zn1，18R型长周期结构）和W相（Mg3Zn3Y2，立方结构）。

传统的高温挤压变形工艺可以有效破碎脆性第二相，并且有效调控第二相形貌、尺寸和分布[4，5]。此外，挤压变形还可以有效细化晶粒，消除缩孔、缩松等铸造缺陷进一步提高合金的强度和塑性。对于Mg-Zn-Y合金而言，W相在固溶处理后可部分融入镁基体中[3]，而LPSO结构又具有独特的强化机制和塑性变形机制[2]，过饱和镁基体在挤压过程中的动态再结晶和动态析出行为。因此，有必要对挤压变形Mg-Zn-Y合金的组织演变与强化机制进一步深入研究。基于此，本文设计了Mg95Y2.5Zn2.5（at.%）合金，在400℃固溶处理12h后在350℃进行热挤压，并探究其组织演变机制。

1 实验过程

研究材料使用纯镁（99.99wt.%）、纯锌（99.99wt.%）和Mg-（25wt.%）Y中间合金在电阻炉熔炼，在750保温30min，经过搅拌、精炼和静置，浇入提前预热好的钢模中自然冷却。

从原铸锭中加工出直径60mm，高100mm的圆柱经400℃固溶处理12h后热挤压。挤压温度为350℃，速度2mm/s，挤压比为18：1。

采用光学显微镜，配有EDS和电子背散射衍射（EBSD）探头的扫描电镜，和透射电子显微镜对合金显微组织的形貌进行表征，用X射线衍射仪对试样进行物相分析。

2 结果与讨论

2.1 铸态组织

图1是铸态Mg95Y2.5Zn2.5合金的金相照片。可以看到组织呈明显树枝晶结构，主要由白色镁基体和黑色第二相组成。第二相存在于树枝晶间隙沿晶界呈网络状分布。

图2为铸态Mg95Y2.5Zn2.5合金的SEM组织照片。其组织主要由三种物质组成，①位于A点的黑色镁基体，其成分经由EDS能谱分析确定为98.5Mg-0.8Y-0.7Zn（at.%）；②位于B点的白色层片状共晶相，其成分被确定为42.4Mg-18.6Y-39.0Zn（at.%），原子比接近3：2：3，因此被确认为W相；③位于C点的灰色组织，其成分被确定为85.7Mg-6.8Y-7.5Zn（at.%），原子比接近12：1：1，被确认为LPSO相。

进一步结合XRD结果（图3），Mg95Y2.5Zn2.5合金的主要物相被确定为a-Mg，Mg3Zn3Y2（W相）和Mg12ZnY（LPSO相），这与SEM和EDS分析所得结论一致。

图1 Mg95Y2.5Zn2.5合金铸态金相组织

图2 铸态Mg95Y2.5Zn2.5合金SEM组织

图4 挤压态Mg95Y2.5Zn2.5合金金相组织

图5 挤压态Mg95Y2.5Zn2.5合金SEM组织

图3 铸态Mg95Y2.5Zn2.5合金XRD图谱

2.2 挤压态组织

图4 为挤压态Mg95Y2.5Zn2.5合金的金相组织图。可以看到合金经过热挤压之后，原本铸态组织中的共晶网状结构不复存在。第二相沿挤出方向（Extruding direction）呈带状分布。由于发生了完全动态再结晶，其晶粒转变为等轴晶且细化明显，平均晶粒尺寸为10um。在TD-ND方向(Transverse direction-Normal direction)可以看出第二相分布弥散而均匀。

图5为挤压态Mg95Y2.5Zn2.5合金的SEM组织照片。其中5（a）中可见细小DRXed等轴晶晶粒。此外，图（b）中显示粗大的W相被破碎为细小颗粒，沿挤压方向呈带状分布。LPSO相沿挤压方向拉长与W相交替相间分布，从TD-ND切面可以看出LPSO还发生了不同程度的扭折变形。