原位内生AM50-x（Zn, Y）合金组织与性能

2022-01-08供稿陈学文CHENXuewen

金属世界 2022年1期

供稿|陈学文 / CHEN Xue-wen

作者单位：1. 广东工程职业技术学院，广州 510520；2. 广州市金属学会，广州 510520

内容导读本文将Zn和Y元素以原子比为6:1的形式混合加入到AM50合金中，希望通过这种方式能够在AM50合金中形成Mg3Zn6Y准晶相，从而达到改善AM50合金性能的目的。用电子能谱仪（EDS）、光学显微镜（OM）和电子拉力实验机等研究了原位内生AM50-x（Zn,Y）合金组织与性能。结果表明：Zn、Y元素加入到AM50合金中后，其形成的合金晶粒在体积上缩小，原本合金组织以β-Mg17Al12相存在，在加入Zn、Y元素之后形成β-Mg17（Zn,Al）12固溶体相，由此使得原合金组织的结构发生变化；适当增加加入元素的量，在质量比例为4%时，检测到合金的各项力学性能指标达到最高值，σb、σ0.2、δ最高值分别为206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%，相较于原合金，各项指标均得到明显提升。

由于镁合金较为轻便且具有较高的硬度，因此常被应用到汽车等交通工具上[1]。但从镁合金的实际应用来看，在较高摩擦因数的影响下使得该材料难以应用到一些运动部件上面。为了让镁合金拥有更高的应用价值，对提升镁合金耐磨性能的方法展开研究具有较为积极的意义，而从相关研究结果来看，通过添加稀土元素、碱土元素、碳纤维、Al2O3纤维等都可以对镁合金耐磨性能起到较大的改善效果[2-10]。

准晶表现出较多具有优势的特性，如：硬度较高、摩擦因数较低等，使得其成为当前镁合金研究的主要方向。有研究表明[11-16]：利用普通铸造法制备出准晶含量较高的 Mg-Zn-Gd 准晶，在此制作过程中采用外加法，研究在AM50合金中加入Mg-48Zn-13Y准晶后对其性能产生的影响。从结果来看，在向AM50合金中加入适量的Mg-48Zn-13Y准晶后，能够改善和细化AM50合金组织，使其原本的各项力学性能得到较大的改善。但是该制作方法也存在较大的局限性，首先需要制作出准晶含量较高的Mg-Zn-Gd 准晶，使其成为AM50合金的中间合金，但该制作工艺较为复杂，且具有较高的生产成本，使其实用性受到影响。

本文将Zn和Y元素以原子比为6:1的形式混合加入到AM50合金中，希望通过这种方式能够在AM50合金中形成Mg3Zn6Y准晶相，从而达到改善AM50合金性能的目的。从Zn和Y元素与AM50合金的实际凝固过程来看，当前主要有两种不同的凝固处理工艺，下面主要通过实验研究的方式探讨科学的处理工艺。

实验材料与方法

实验材料

实验中的实验材料包括：5%（体积分数）硝酸乙醇腐蚀剂、Mg-48Zn-13Y准晶合金、AM50合金等。

实验仪器设备包括：MDS金相显微镜（OPTEC公司）、Rigaku D/max-2500 型 X 射线衍射仪、METT LERTGADSCⅠ/1100LF 型差热分析仪、VEGAⅡLMU可变真空SEM及EDS（TESCAN公司）、HXS-1000AKY型显微硬度计。同时在实验中应用Image-pro Plus 6.0 （IPP 6.0）软件进行统计。

实验方法

首先将AM50合金置于700 ℃温度下，使合金发生熔化，然后将表面的一些浮渣去除；其次对提前制作完成的Mg-48Zn-13Y准晶合金进行预热处理，然后将其按照不同的质量比例（2%、3%、4%、5%）添加到合金熔液中，并维持700 ℃温度约5 min，对其中的合金熔液做搅拌处理，将浮于表面的渣滓去除；最后将合金熔液浇筑到准备好的模具之中。

实验结果与分析

AM50-x（Zn, Y）合金的显微组织

AM50-x（Zn, Y）合金的晶体组织形状照片如图1所示，对各图的晶体组织进行对比，其中图1（a）的AM50合金组织，其晶粒尺寸明显较大；图1（b）的AM50-2%（Zn, Y）合金的晶粒尺寸相较于AM50合金组织变细，且现象较为明显；图1（d）的AM50-4%（Zn, Y）合金的晶粒尺寸达到最细，据观察晶粒平均尺寸在50 μm左右；图1（e）的AM50-5%（Zn, Y）合金的晶粒尺寸相较于AM50-4%（Zn, Y）合金有一定程度增大，但整体仍较AM50合金组织晶粒细小。

图1 不同比例AM50-（Zn, Y）合金晶粒大小

AM50-x（Zn, Y）合金的SEM照片如图2所示。其中图2（a）的AM50合金组织，含有较多的β-Mg17Al12相，在合金组织中呈现断续网状，宽度在8～10 μm；图2（b）～（e）为加入Zn、Y元素后的SEM照片，将之与图2（a）比较，从中可发现随Zn、Y元素加入，合金组织中的β-Mg17Al12相逐渐减少，断续网状逐渐转变为条状、颗粒状，且在Zn、Y元素加入量达到4%时，β-Mg17Al12相的宽度降低到3 μm左右。

图2 不同比例AM50-（Zn, Y）合金的SEM像

图3 为AM50-4%（Zn, Y）合金的局部放大SEM照片和EDS分析结果。由图可知，灰色β相中不仅含有较多的Mg、Al元素，而且还含有少量的Zn元素（如图3（c）所示），因此β相被称之为β-Mg17（Al,Zn）12固溶体相；此外，在白亮层片状组织中也含有这三种元素，只是三者所占据的比例存在差异，具体如图3（d）所示，因此将这种合金称为Φ-Mg21（Zn,Al）17相；而在组织中表现出来的白亮颗粒，其内一般含有Al、Y、Mn、Mg四种元素，具体如图3（e）所示，而Al、Y和Mn占据主体。

图3 加入4%Mg-48Zn-13Y准晶形成合金的SEM照片和EDS分析结果

图4为加入不同比例Mg-48Zn-13Y准晶形成合金的XRD图谱。从图谱显示结果来看，当加入比例为0和2%的时候，合金组织中只存在α-Mg和β相，此时无Φ相存在，分析其原因，主要因为合金组织中含有Zn元素过少，且存在的少量Zn元素也融入到β相之中；当加入比例为3%、4%、5%时，XRD图谱同时含有α-Mg、β相、Φ相的衍射峰，且新出现的Φ相衍射峰随加入量增多衍射强度逐渐增强。从合金的XRD图谱显示结果来看，也证明上述组织分析结果的准确性。

图4 加入不同比例Mg-48Zn-13Y准晶形成合金的XRD谱

AM50-x（Zn, Y）合金的力学性能

图5 为AM50-x（Zn, Y）合金的室温拉伸应力-应变曲线，并对合金的力学性能进行检测，如表1所示。从表中数据来看，AM50-x（Zn, Y）合金的力学性能首先随加入Zn、Y元素量增多而逐渐增强，在加入Zn、Y元素比例为4%时AM50-x（Zn, Y）合金力学性能达到最优，此时σb、σ0.2、δ的数值分别为206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%。但随着加入Zn、Y元素量的进一步增多，AM50-x（Zn, Y）合金的力学性能会出现下降的趋势，此点从加入Zn、Y元素比例为5%时的σb、σ0.2、δ的数值可看出。