挤压态单/双相镁锂合金的组织与性能

张义俊,门 凯,郭箫玥,卢志安

(1.河南农业职业学院,郑州 451450;2.郑州大学材料科学与工程学院,郑州 450001)

0 引 言

镁锂合金具有密度小(1.4～1.7 g·cm-3),比强度高,延展性、阻尼性能和电磁屏蔽性能良好等特点[1-2],在交通运输、电子、航空航天和医疗器械等领域有着广阔的应用前景。根据镁锂合金二元相图,当锂质量分数介于5.7%～ 10.3%时,镁锂合金为(α+β)双相组织,当锂质量分数超过10.3%时为β单相组织[3]。体心立方结构β相的存在使得镁锂合金具有较多滑移系,变形能力相对更好,可进行常温轧延、冲压等塑性加工[4],但其强度较低[5-6]。钇是一种与镁晶体结构相似,能在镁合金中起到固溶强化、弥散强化作用的稀土元素,加入镁锂合金中可提高其室温、高温力学性能和耐腐蚀性能[7]。而且,将钇与锌按一定比例同时添加到镁锂合金中,可在合金中形成Mg3Zn6Y1等准晶相[8],使得合金在保持良好塑性变形能力的基础上获得较高的强度和较好的耐腐蚀性能等,从而扩大其工业应用范围。

作者对比研究了相同工艺热挤压变形后Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y(质量分数/%,下同)、Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y镁锂合金的显微组织、密度和力学性能,以期为探究单/双相镁锂合金组织与性能的异同,并进一步通过成分优化和热变形提高镁锂合金的综合力学性能提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y和Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y镁锂合金铸锭,均由山西银光镁业集团提供,采用真空感应熔炼法制备。采用线切割截取尺寸为φ60 mm×100 mm的圆柱体试样,采用NB-SX2-8-16TP型箱式电阻炉进行200 ℃×10 h的均匀热处理,空冷至室温,再经285 ℃×1 h的预热处理后,在XJ-800SM型挤压机(挤压模具先进行285 ℃×15 min的预热处理)中进行热挤压变形,挤压后空冷至室温,挤压比为15.8,挤压后截面尺寸为30 mm×6 mm。

采用线切割截取尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的金相试样,经磨抛和体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后,采用奥林巴斯GX81型光学显微镜观察铸态和热挤压态试样的显微组织,并采用附带的Image-Pro Plus软件统计晶粒尺寸[9]。采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪分析物相,采用铜靶,加速电压为30 kV,电流为150 mA,扫描速率为2 (°)·min-1。采用FEI Quanta 400F型扫描电镜(SEM)观察微观形貌,采用附带的能谱仪分析微区成分。采用JH955-XS-120F型密度测试仪测试密度[10]。采用HV-1000型数显维氏硬度计测试硬度,载荷为1.96 N,保载时间为10 s,测5点取平均值。根据GB/T 228—2010,沿挤压方向截取拉伸试样,尺寸如图1所示,采用MTS-810型万能材料试验机测试室温拉伸性能,应变速率为10-3s-1,测3组取平均值。在拉伸断裂的试样上沿拉伸方向剖开,用无水乙醇超声清洗截面后采用FEI Quanta 400F型扫描电镜观察近断口处截面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织和物相组成

由图2可见:铸态Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金由亮白色块状α-Mg相、灰色β-Li相以及断续分布的Mg3Zn6Y1相组成,是典型的(α+β)双相镁锂合金;铸态Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金由β-Li相和Mg3Zn6Y1相组成,未见α-Mg相,是典型的β单相镁锂合金,且由于锌和钇质量分数更高,晶界处Mg3Zn6Y1相相比于Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中更加连续,体积分数更大;挤压态Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中的α-Mg相和β-Li相沿挤压方向变形,呈条状;挤压态Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金在挤压作用下形成了少量尺寸较小的α-Mg相,这主要是与挤压过程中Mg3Zn6Y1相破碎造成镁元素从共晶化合物中扩散出来有关[11-12]。在热挤压过程中两种合金中的Mg3Zn6Y1相都发生了破碎,且都沿着挤压方向发生变形,但是α-Mg相未发生明显动态再结晶。

由图3可见:挤压态Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y、Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金的平均晶粒尺寸分别为(12.2±7.0), (10.9±3.8) μm。Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y铸态合金因其组织主要为体心立方结构β相而具有较多滑移系,挤压变形过程中β相会优先发生塑性变形并发生再结晶,晶粒尺寸相对较小;Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中的α相会因为β相的软化协调作用而释放应力,动态再结晶较为困难,所以晶粒尺寸相对较大。

图3 挤压态镁锂合金的粒径分布Fig.3 Grain size distribution of extruded magnesium-lithium alloys

由图4结合能谱结果分析可知:两种挤压态镁锂合金中的条状区域主要含有原子分数分别为98.47%和1.53%的镁和锌,为α-Mg相;等轴晶区主要含有原子分数分别为97.12%和2.88%的镁和锌,即β-Li相;亮白色细小颗粒中锌与钇的原子比约为5.88,为Mg3Zn6Y1相[13];大尺寸块状颗粒中锌与钇的原子比约为1.52,为Mg3Zn3Y2相[14];界面处颜色相对较浅区域镁、锌、锂的原子比接近于1…1…1, 为LiMgZn相;两种挤压态镁锂合金中锌、钇元素主要分布在亮白色颗粒中,且此两种元素主要在第二相上富集,而在α-Mg、β-Li相中固溶较少。

图4 挤压态镁锂合金的SEM形貌和元素面扫描结果 Fig.4 SEM morphology (a,c) and element surface scanning results (b,d) of extruded magnesium-lithium alloys

由图5可知:两种挤压态合金均主要由α-Mg相、β-Li相、Mg3Zn6Y1相和少量的Mg3Zn3Y2相、LiMgZn相组成;Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中的Mg3Zn3Y2相和LiMgZn相衍射峰强度更高,这主要是因为其锌、钇含量相对更高,形成了更多的第二相[15-16]。挤压态Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中α-Mg相、β-Li相、第二相(Mg3Zn6Y1、Mg3Zn3Y2、LiMgZn相)的平均尺寸分别为64.7,13.3,4.4 μm,体积分数分别为14.1%,79.0%,6.9%;挤压态Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中α-Mg相、β-Li相、第二相的平均尺寸分别为22.3,12.0,4.6 μm,体积分数分别为4.3%,86.1%,9.6%。

图5 挤压态镁锂合金的XRD谱Fig.5 XRD patterns of extruded magnesium-lithium alloys

2.2 密度和力学性能

试验得挤压态Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金的密度、硬度、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为1.56 g·cm-3,66.2 HV,186 MPa,223 MPa和30.4%;挤压态Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金分别为1.58 g·cm-3,68.9 HV,200 MPa,231 MPa和29.8%。可知:相比挤压态Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金,挤压态Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金的密度更高, 这与其含有更多大原子序数锌、 钇元素有关[17],其硬度、屈服强度、抗拉强度更大,分别增加了2.72%,7.53%,3.59%,但断后伸长率略有减小,这主要是因为更多的锌、钇元素会产生更大的晶格畸变从而增强固溶强化作用[18];此外,该合金的平均晶粒尺寸更小、第二相体积分数更大,细晶强化和第二相强化作用更强[19]。

由图6可见:两种挤压态合金中的α-Mg相在靠近拉伸断口的高应变区沿拉伸方向延伸呈细条状,在远离拉伸断口的低应变区仍然呈块状,β-Li相和Mg3Zn6Y1相在高应变区也有沿着拉伸方向变形的趋势。在拉伸过程中,α-Mg相和β-Li相可以起到协调变形作用从而使合金具有良好的塑性[20],而弥散分布的第二相可以起到钉扎位错作用,阻碍位错滑移从而提高强度[21]。挤压态Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中α-Mg相的体积分数相对较小,β-Li相、第二相体积分数相对较大,因此其变形协调能力相对更差,断后伸长率相对较低。

图6 挤压态镁锂合金近拉伸断口截面微观形貌Fig.6 Cross-section micromorphology near tensile fracture of extruded magnesium-lithium alloys

3 结 论

(1) 铸态Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金主要由α-Mg相、β-Li相、Mg3Zn6Y1相组成,为(α+β)双相镁锂合金,铸态Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金主要由β-Li相、Mg3Zn6Y1相组成,为β单相镁锂合金;经热挤压变形后,双相镁锂合金中α-Mg相沿挤压方向变形呈条状,两种合金中的Mg3Zn6Y1相均发生破碎并沿挤压方向变形,β单相镁锂合金挤压后形成少量尺寸较小的α-Mg相。

(2) 相比双相镁锂合金,β单相镁锂合金的平均晶粒尺寸较小,第二相(Mg3Zn6Y1、Mg3Zn3Y2、LiMgZn相)平均尺寸和体积分数较大。

(3) 相比双相镁锂合金,β单相镁锂合金的硬度、屈服强度、抗拉强度更大,分别增加2.72%,7.53%,3.59%,断后伸长率略有减小。两种挤压态合金中α-Mg相在高应变区沿拉伸方向延伸呈细条状,在低应变区呈块状,β-Li相和Mg3Zn6Y1相在高应变区沿拉伸方向呈变形趋势。