Mg-Zn-Sn-Er合金时效析出机制的研究

＊张 昭

（河南传承铸造材料有限公司 河南 455000）

在Mg-Sn系列的合金中，析出的高熔点的Mg2Sn颗粒相能够阻止高温拉伸时的塑性变形，改善合金的抗高温性能，增强合金的热稳定性[1-3]。同时，Mg-Zn基合金由于过渡相的沉淀产生具有明显的时效硬化。因此，Mg-Zn和Mg-Sn系统进行了广泛的实验研究，发现针状MgZn2沉淀物和板状Mg2Sn沉淀物是a-Mg基体强化的主要原因，结合二者形成的Mg-Zn-Sn三元体系的合金系统被认为是抗蠕变Mg合金的有前途的候选者之一。但是沉淀物的粗化过程会导致过度时效，而稀土元素铒(Er)在镁合金凝固过程中形成高温稀土相可以集中在亚晶粒和晶界防止热处理期间晶粒的生长。然而，微观结构演化的一些重要特征仍然存在未知，尚不清楚在时效过程中含铒相在镁合金沉淀析出的基本规律。因此，本文的主要目的是深入研究Mg-Zn-Sn-Er合金中MgZn2、Mg2Sn相和稀土相的析出顺序和成核特性。

1.研究方法

在可控硅箱式热处理炉进行固溶处理。结合测试的铸态DSC相变点和相图分析，对合金铸锭制定了三级固溶方案，第一级固溶在335℃保温24h后取出进行水淬并烘干，接着进行第二级固溶在440℃保温24h后取出进行水淬并烘干，随后进行第三级固溶在480℃保温18h后取出进行水淬并烘干。

为了研究得到更好的时效析出效果，实验采用在油浴炉子中进行T6处理（固溶+双极时效）。固溶后的试样切成厚度为15mm的方形薄片，随后放入装有硅油的油浴炉子里进行时效处理。时效方案分别为在80℃中保温12h、24h、36h、48h、72h、96h，随后在150℃中保温24h、48h、72h、96h、120h，每组试样取出后均进行空冷。

利用GX51标准型倒置光学显微（Optical Microscope，OM）分析金相和采用日本电子JEM-2100透射电镜进行高倍显微组织分析。

2.分析与讨论

（1）Mg-Zn-Sn-Er固溶时效组织。图1为固溶处理后Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金的金相。从金相上可以看出有一些黑色的颗粒在晶内存在，并随着Er含量增加而增多，初步分析是高温相或者含稀土相并未完全溶解到基体中。经过三级固溶后，晶界处的二次相几乎消失，晶界相对清晰，晶粒变得更粗大。从整体上看，固溶处理使二次相溶解基本上溶入到基体中。

图1 Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金固溶金相组织图

图2为固溶处理合金的XRD图谱。从XRD图谱可以明显看出，经过335℃/24h固溶处理后，该合金中MgZn2相的峰值明显降低直至消失，说明该相基本溶解到基体中，经过335℃/24h+440℃/24h固溶处理后，该合金中Mg2Sn相的峰值降低了但仍有部分峰值存在，说明该相部分溶解到基体中，而部分并未溶解的原因可能是Mg2Sn相的熔点高，在固溶时温度和时间均为到最佳的状态，但对其他的含稀土相在基体中的溶解影响不大；经过335℃/24h+440℃/24h+480℃/18h固溶处理后，该合金中Mg2Sn相的峰几乎消失了，说明该相已经溶解到基体中。可以看到MgSnEr相对应的峰，且随着温度的升高，MgSnEr相对应的峰值强度变弱。说明在固溶处理过程中，MgSnEr相溶于基体中。

图2 Mg-5Zn-3Sn-2Er合金固溶处理合金的XRD分析

图3为随着Er含量不断增加的Mg-5Zn-3Sn-xEr合金时效150℃保温48h金相组织。可以看出Er含量的增加抑制了晶粒和亚晶粒的长大，这是因为凝固过程中形成的高温相MgSnEr集中在亚晶粒和晶界防止热处理期间亚晶粒的生长。在150℃时效过程中，连续析出形式占据主要地位，时效24～48h后，在晶内可以观察到Mg2Sn相。

图3 Mg-5Zn-3Sn-xEr合金时效150℃保温48h金相组织

图4为Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金时效150℃保温48h的XRD分析图谱，通过对图谱的分析可以得出，当Er含量为0时，Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金是由α-Mg、MgZn2和Mg2Sn三相组成。随着Er含量的增加，Mg2Sn相的衍射峰的峰强逐渐减弱，并且发现添加稀土Er后，在XRD图谱中有MgSnEr的时效峰出现，随着Er含量的增加，MgSnEr衍射峰的强度越大。分析原因是Mg-Zn-Sn合金里加Er后，产生MgSnEr，随着Er含量增多，结合了Sn也愈来越多，所以随着Er元素的增多，时效过程中，Mg2Sn相减少，稀土相MgSnEr增多。

图4 Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金时效150℃保温48h的XRD分析

（2）Mg-Zn-Sn-Er合金时效析出机制。Mg-Zn-Sn-Er合金时效析出主要包括MgZn2相，Mg2Sn相和MgSnEr相的时效析出。

①MgZn2相的时效析出行为

锌在镁中的平衡固溶度随着温度的升高而大大降低，锌在镁中的过饱和固溶体的受控分解可产生显著的时效硬化作用。对于质量分数为4%～9%的Zn且在120～260℃等温时效的Mg-Zn合金，强化的沉淀相为 '1β和[4-5]。亚稳态相形成为棒状，其长轴平行于α-Mg基体的[0 0 0 1]方向，而亚稳态相'2β在（0 0 0 1）生成。图5在Mg-Zn-Sn-Er合金在150℃时效24h后，可以检测到针状颗粒，可以清楚地看到长径比很高的长针。

图5 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金在150℃时效24h的TEM图像

在时效48h的样品中，如图6所示，平行于[0 0 0 1]方向的棒状或者片层状沉淀相的数量密度明显高于平行于（0 0 0 1）板状的数量密度。除了这两种主要的沉淀形态外，在α-Mg基体中还检测到一些块状颗粒。并且从[0 0 0 1]方向观察，大多数平行于[0 0 0 1]方向棒状或者片层状具有菱形的横截面，因此将它们称为杆。这个杆状相是。随着时效时间的延长，沉淀相逐渐以MgZn2相析出。

图6 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金在150℃时效48h的TEM图像

②Mg2Sn相的时效析出行为

Mg-5Zn-3Sn-1.5Er合金在150℃时效24h的样品中，可以看出形成了以面心立方FCC-Mg2Sn颗粒。由于时效过程中，Zn原子的扩散能力比Sn原子强，MgZn2相优先进行沉淀析出，然后Mg2Sn颗粒主要生长在尖端附近的MgZn2针上。Mg2Sn一般垂直于较长MgZn2针，呈现短条状。尤其是Mg2Sn易于在MgZn2针的端部生长，如图7所示。

图7 Mg-5Zn-3Sn-1.5Er合金在150℃时效24h的TEM图像

③MgSnEr相的析出特征

图8（a）为Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金时效150℃保温72h的TEM微观组织，对其进行面扫，从图上可以看出在白色方框内灰色组织为MgZn2相，而白色组织为MgSnEr相，发现MgSnEr相依附于MgZn2相上生长。结合EDS（图8（b）～（e））表明，在该第二相颗粒中，Zn、Sn、Er有明显的偏聚，与TEM图像对应，说明合金中存在着MgSnEr以MgZn2作为形核质点进行异质形核的现象，从而可以在一定程度上促进MgSnEr颗粒相的析出。

图8 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金时效150℃保温72h的TEM微观组织及其EDS

3.结论

（1）Mg-5Zn-3Sn-xEr（x=0、0.5、1、2）合金通过335℃保温24h，440℃保温24h，480℃保温18h的三级固溶后铸态下凝固的相全部固溶于基体中。

（2）时效后，MgZn2的沉淀相以平行于α-Mg基体的[0 0 0 1]方向析出和在（0 0 0 1）生成。

（3）Mg2Sn一般垂直于较长MgZn2针，呈现短条状，易于在MgZn2针的端部生长。

（4）MgSnEr以MgZn2作为形核质点进行异质形核。