Gd对AZ81镁合金显微组织的影响.pdf

第6 2 卷第1 期 2010 年2 月 有色金属 N o n f e I T O U SM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．1 F e b r u a r y ．2010 G d 对A Z 81 镁合金显微组织的影响 李克杰1 ”，李全安2 ，王小强2 1 ．河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳4 7 10 0 3 ； 2 ．台州职业技术学院机电系，浙江台州3 18 0 0 0 摘要利用光学显微镜、电子扫描、X 射线衍射分析方法研究G d 对A Z 8 1 镁合金显微组织的影响。结果表明，合金的显微 组织主要由∞M g 基体、卢一M g l 7 A 1 1 2 相、A 1 2 G d 相组成。G d 的加入使卢M g 。，A I l 2 相显著减少，G d 含量较低时A Z 8 1 镁合金的晶粒得 到细化、组织较为均匀。随G d 的增加，卢一M g ”A I l 2 相有粗化、偏聚的趋势。 关键词金属材料；A Z 8 1 镁合金；显微组织；钆 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G l l 3 ．1 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 o l 一0 0 1 0 0 4 镁合金是最轻的工程结构材料，具有密度小、比 强度和比刚度高、成型性和导热性好等优点，被广泛 应用于汽车、电子、3 C 等相关行业。要继续扩大镁 合金的应用范围，提高其力学性能是一项十分关键 的因素。R E 元素由于能有效提高镁合金常温和高 温性能而得到研究人员的重视，它能够净化镁合金 合金液、改善合金的铸造性能、细化组织、提高合金 的抗氧化性能。在镁合金中，A Z 8 1 的性能和 A Z 9 1 D 非常接近，其A l 含量相对A Z 9 1 较低，同时 仍具有良好的铸造性能q 1 。因此采用A Z 8 1 作为 研究合金，研究稀土元素G d 对A Z 8 1 镁合金显微组 织的影响。 1 实验方法 试验用原材料为镁锭 A Z 8 0 A 、铝锭 纯度为 9 9 ．9 8 ％ 、锌粒 化学纯 、M g ．G d 中间合金。试验 用合金成分为M g 一8 ．0 A I - 0 ．7 5 Z n - 0 ．1 5 M n - x G d 髫 0 ，1 ％，2 ％，3 ％，4 ％ 。 镁合金熔炼在真空电磁感应熔炼炉中进行。熔 炼时感应炉抽真空至6 1 0 ～P a ，充氩气保护，负压 为0 ．0 3 M P a 。采用高纯石墨 9 9 ．9 9 ％ 坩埚，金属 型模具，模具型腔刷Z n O 涂料。所有原料装炉前均 要在4 7 3 K 下进行烘干。合金熔化后在9 9 3 K 下保 温l O m i n ，待合金降温至9 6 3 K 一9 7 3 K 时进行浇注。 收稿日期2 0 0 7 1 0 2 6 基金项目河南省高校创新人才培养基金资助项目 豫高教[ 2 0 0 2 ] 1 2 9 ；洛阳市科技攻关项目 0 6 0 2 0 1 8 A 作者简介李克杰 1 9 7 2 一 ，男，河南洛阳市人，博士，主要从事稀 土耐热镁合金等方面的研究。 然后将合金试样在箱式炉中进行固溶 6 9 3 K ，l O h 、 时效 5 2 3 K ，8 h 处理。 采用O l y m p u s 光学显微镜、J S M ．5 6 1 0 L V 扫描电 镜 S E M 、能谱仪 E D S 等分析仪器，对铸态合金和 时效合金的显微组织、合金成分进行观察和分析，并 使用X 1 e r t m p d p r o 型x 射线衍射仪对合金进行物相 分析。 2 试验结果及分析 2 ．1 合金铸态组织分析 图1 是铸态合金显微组织图片。根据M g - A 1 二 元合金相图和M g - A 1 - Z n 三元合金相图，A Z 8 1 镁合金 的铸态组织是由灰白色基体相O t ．M g 固溶体、呈网状 分布的卢一M g 。，A I 。相组成【4 ’，如图1 a 所示。在未加 G d 的A Z 8 1 合金中，共晶组织卢一M g ，，A I ，相以不规则 的网状分布于晶界处，也有少部分分布于晶粒内。口一 M g 。，A 1 。相周围的层片状或点状组织是合金凝固之后 冷却过程中产生二次析出的届相”’。另外还有分布 于合金晶内与晶界处的黑色点状M n A l 化合物相，它 是A l 溶入M n 形成的圊溶体。4 1 。 a 一A Z 8 I O ％G d ； b 一A Z 8 1 1 ％G d 图1A Z 8 1 G d 镁合金的显微组织 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fa s c a s t i n gA Z 8 1 G da l l o y s 万方数据 第1 期 李克杰等G d 对A Z 8 1 镁合金显微组织的影响 图1 b 是加入稀土元素G d 后合金的铸态显微 组织图片。由图1 b 可见，稀土元素G d 有效地改 善了合金的铸态组织，使沿晶界连续分布的网络状 共晶组织转变成半连续的网络状，晶粒内部黑色颗 粒相变的细小、弥散，明显细化了A Z 8 1 合金的铸态 组织。 金属材料组织细化是提高力学性能的一项重要 措施。根据式 1 H a l l P e t c h 公式，晶粒越细，枝晶 间距越小，材料强度就越高。由于密排六方镁合金 的k 值很大，约为铝合金k 值的4 倍，因此意味着晶 粒尺寸的大小对镁合金 h o p 强度的影响很大1 。 式 1 中，矿，为多晶体的屈服强度，盯。为晶格摩擦 力，相当于单晶体的屈服强度，k 为P e t c h 斜率，d 为 晶粒直径。 盯， 盯。 k d W 2， 1 2 ．2G d 对A Z 8 1 镁合金时效态组织的影响 图2 为经过固溶时效处理后合金的显微组织照 片。由图2 a 可以看出，A Z 8 1 镁合金固溶时效后 p - M g 。，A I 。相在晶界及晶内重新析出，在晶界处呈粗 大块状和断网状分布，晶粒内部呈颗粒状分布，以细 小点状为主。结合M g M n 二元相图及元素电负性 可以知道，黑色点状M n A l 化合物相在较高温度下 可固溶于镁基体中，经过时效处理后，在合金晶内与 晶界处重新析出。 a 一A Z 8 1 0 ％G d ； b 一A Z 8 1 1 ％G d ； C 一A Z 8 1 3 ％G d ； d 一A Z 8 1 4 ％G d 图2A Z 8 14 - G d 镁合金固溶 ．时效处理后的显微组织 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fA Z 81 G da l l o y sa f t e r s o l i ds o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n t 由于镁固溶体的扩散和分解过程缓慢，因此固 溶处理和时效处理需要保持较长的时间。A Z 8 1 合 金经过6 9 3 K 固溶处理1 0 h 后，合金铸态组织的口一 M g 。，A I 。相大部分溶解到O t M g 镁基体中，时效处理 后，固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过程 中发生分解并析出第二相。。时效过程中颗粒状 芦．M g ，，A 1 ，相不经G P 区和过渡相阶段直接沿晶界 非连续和连续的沉淀析出。随着时效时间的延长， 口一M g n A l ，析出相的数量持续增加，形态则由颗粒 状、块状与胞状共存到块状的J B A 1 ，M g 。，消失，胞状 卢一A 1 。M g 。，不断地向晶内蔓延长大。伴随着晶内卢一 M g 。，A I 。相的析出过程，p M g 。，A 1 。相周围基体的含 A l 量不断下降，晶格常数发生变化。既使是在初始 阶段，卢M g “ A 1 ，与基体之间也不存在共格关系，只 是以细小片状的形式平行于基面 0 0 0 1 ，沿晶体的 3 个密排方向生长1 。T 6 处理过程中，A I R E 相不 发生分解，仍保持较高热稳定性，但形貌从棒状向粒 状发生转变。 图2 b ～图2 d 为加入G d 后合金的显微组 织。如图所示，由于G d 的加入，卢一M g 。，A I ，相显著减 少，G d 含量较低时合金组织得到细化、组织较为均 匀，见图2 b 和图2 C ，随G d 的增加，析出卢一M g 。， A l ，相有粗化、偏聚的趋势，见图2 d 。 由于稀土元素G d 具有活泼的化学性质，在 A Z 8 1 合金中加入G d 后，有可能形成A 1 ．G d 或M g G d 金属间化合物。元素间形成化合物的难易程度 可依据电负性差值来判断，电负性差值越大，元素间 的结合力越大，越容易形成金属化合物。G d 1 ．2 0 与A l 1 ．6 1 的电负性差值为0 ．4 1 ，G d 1 ．2 0 与M n 1 ．5 5 的电负性差值为0 ．3 5 ，大于G d 与M g 1 ．3 1 的电负性差值 为0 ．1 1 。因此，从热力学角度来 看，在A Z 8 1 合金中加入G d 将优先形成A I G d 化合 物，电负性差值决定了G d 更易与A l 和M n 形成化 合物。图2 b 一图2 d 显示针状或粒状A I G d 化 合物主要分布在晶界附近，可见活性元素G d 在非 平衡条件下存在正偏析，凝固过程中易富集于固／液 界面前沿造成成分过冷，从而促进a 晶粒均质形核 的生成，细化组织。对A Z 8 l 4 ％G d 合金进行x 射 线衍射分析，见图3 ，确认合金组织为a M g 基体相 和芦一M g 。，A 1 。析出相，A l G d 化合物为新相A I G d ，稀 土相分布较均匀，这有利于合金力学性能的提高。 图4 为部分合金固溶时效后的S E M 扫描图像， 当G d 含量为1 ％时，见图4 a ，颗粒相较为细小， 并呈球形均匀分布在基体上。经E D S 分析其成分 为y M g 5 1 ．4 0 ％，Y A 1 3 2 ．3 1 ％，Y G d 1 6 ．2 9 ％ 原子比 ，排除基体相a - M g 的干扰，A l 和 G d 的原子比基本为2 1 ，初步判断该颗粒相为 万方数据 1 2有色金属第6 2 卷 4 05 0“l7 J8 0 2 0 ／ 。 图3A Z a l 4 ％G d 镁合金的X R D 图谱 F i g ．3 X R Dp a t t e r no fA Z 8 1 4 ％G da l l o y A l G d 。对基体的分析结果显示有极少部分的G d 固溶于f t , 一M g 基体中。根据T u m b u l l po 等提出的非 均质形核理论，形核剂能促进液相金属形核，一般需 要具备以下两个条件一是具有高于液相熔点的高 熔点相，在液相中提供液相金属的非均质形核界面； 二是高熔点相与液相金属在某些低指数面具有很低 的错配度，错配度越低，转变所需的界面能越小，结 晶的形核功就越小，形核所需的过冷度就越小，合金 凝固后的晶粒愈细化。因此可用高熔点相和新结晶 相两相品格间的错配度艿来判定高熔点化合物能否 成为非自发晶核。如式 2 所示，两相匹配程度愈 好，即6 值越小，高熔点化合物越易成为非自发晶 核。式 2 中，艿一错配度，t l 。一基底相低指数面的点 阵间距，a 。一新结晶相低指数面的点阵间距。 6 a 。一口Ⅳ ／a Ⅳ 2 G d 的熔点较高，为1 7 9 8 K ，同时G d 和M g 均为 密排六方晶格，二者的晶格常数很接近 口M 。 0 ．3 2 3 1 0 一’m ，c M E 0 ．5 2 0 1 0 一’1 1 1 ，a G d 0 ．3 6 2 1 0 ’’m ， c c d 0 ．5 7 6 1 0 “m ，根据式 2 计算G d 的 0 0 0 1 面与M g 的 0 0 0 1 面的错配度，经计算，6 1 0 ．7 7 ％ 1 2 ％。因此G d 可以成为a M g 的非自发结晶核 心，促进形核，细化A Z 8 1 镁合金的铸态组织。 图4 b 是G d 含量为4 ％时的图像，可以看出， 颗粒相增多、粗大并呈多边形 主要为矩形 ，同时 有偏聚的倾向。经结合E D S 和X R D 分析，确认其 为A I G d 相。G d 含量的增加使块状的A I G d 相数 量增加、尺寸增大，并产生偏聚，造成合金组织和成 分的不均匀，易引起应力集中，对合金力学性能产生 不利影响。同时还有可能增加合金的黏度，造成流 动性下降，导致铸造缺陷增加，在一定程度上也会降 低合金的力学性能Ⅲ’。 8 一A Z 8 1 1 ％G d ； b 一A Z a l 4 ％G d 图4A Z 8 1 G d 镁合金固溶时效 处理后的扫描电镜图 F i g ．4 S E Mm i c r o g r a p ho fA Z 81 G da l l o y s a f t e rs o l i ds o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n t A I ，G d 为立方晶体结构，晶格常数为口 0 ．7 9 1 0 一l i t 。显然这种化合物很难作为a - M g 在凝固过 程中的异质形核核心。然而，其结晶温度 为 1 3 4 8 K 远高于在A Z 9 1 合金中由L 一仅 M g 口 M g 。，A I 。 的共晶反应温度 约为7 2 4 K ，并具有很 高的熔点 A I G d 相的熔点为1 7 9 8 K 。因此A 1 2 G d 相能在凝固初期优先结晶出来，以固态的形式存在 于合金液中。在凝固过程中A 1 G d 晶体容易富集于 a M g 相前沿，形成强烈的溶质过冷层，阻碍d ．M g 晶 粒的生长，细化基体组织。随着温度的下降，合金液 中生成更多的A 1 ，G d ，并聚集于合金液固界面前沿。 由于G d 与A l 的大量结合导致A I G d 周围铝含量相 对减少，使存在于晶界上的A I G d 相周围口一M g ，，A I 。 共晶相数量减少，导致M g ，，A I ，相由连续与半连续 网状结构逐渐变为断续、弥散分布的带状结构。因 此可以提高镁合金综合力学性能。 3结论 稀土元素G d 通过非自发形核作用细化A Z 8 1 镁合金的微观组织，使合金组织明显细化。在结晶 过程中，稀土相富集在固／液界面的前沿引起成分过 冷，增加了均质形核的数量，同时A I G d 相的形成减 少了卢一M g ．，A I ，相的析出，使J B - M g 。，A I ．相由块状或 网状变成弥散分布的粒状。在试验条件下，G d 含量 在2 ％一3 ％之间，能明显改善A Z 8 1 镁合金的显微 组织。 万方数据 第1 期李克杰等G d 对A Z 8 1 镁合金显微组织的影响 参考文献 [ 1 ] H o r s tEF r i e d r i c h 。B a r r yLM o r d i k e ．M a g n e s i u mT e c h n o l o g y [ M ] ．B e r l i nH e i d e l b e r g S p r i n g e r V e d a g ，2 0 0 6 2 0 3 0 ． [ 2 ] B r o w nRz ．I n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u ma s s o c i a t i o n5 5 t ha n n u a lw o r l dc o n f e r e n c e [ J ] ．L i g h tM e t a lA g e ，1 9 9 8 ，5 6 8 8 6 9 3 ． [ 3 ] Z h a n gP ，L i n d e m a n nJ ．E f f e c to f r o l l e rb u r n i s h i n go nt h eh i g hc y c l ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h eh i g h s t r e n g t hw r o u g h tm a g n e s i u m a l l o yA Z 8 0 [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 5 ，5 2 1 0 1 1 0 1 5 ． [ 4 ] 刘宏伟，罗承萍，刘江文．钇及混合稀土对镁铝锌合金组织与性能的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 3 ， 5 1 4 一1 7 ． [ 5 ] 裴利霞。张金山，高义斌．稀土元素镧对A Z 9 1 镁合金显微组织及硬度的影响[ J ] ．铸造设备研究。2 0 0 5 ， 1 2 0 一2 2 ． [ 6 ] 刘生发，王慧源，康柳根．钕对A Z 9 1 镁合金铸态组织的影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 6 ，1 6 3 4 6 4 4 6 9 ． [ 7 ] 陈振华．镁合金[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 2 8 3 2 ． [ 8 ] 刘正．镁基轻质合金理论基础及其应用【M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 2 6 1 6 4 ． [ 9 ] T u r n b u l lD ，V o n n e g n tB ．N u c l e a t i o nc a t a l y s i s [ J ] ．I n d u s t r i a la n dE n g i n e e r i n gC h e m i s t r y ，1 9 5 2 。4 4 6 1 2 9 2 1 2 9 8 ． [ 1 0 ] 张诗昌，魏伯康，陈谓臣．钇及混合稀土对A Z 9 1 镁合金流动性与凝固组织的影响[ J ] ．铸造，2 0 0 4 ，5 3 2 1 1 8 1 2 】． E f f e c t so fG a d o l i n i u mo nA Z 81M a g n e s i u mA l l o yM i c r o s t r u c t u r e “肠伽m ，ⅡQ u a r t ．a n 2 ，W A N GX i a o ．q i a n 9 2 1 ．S c h o o lo ，M a t e r i a l sS c g e 眦ea n dE n g i n e e r i n g ，H e n a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，L u o y a n g4 7 1 0 0 3 ，H e n a n ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，T a i z h o uV o c a t i o n a l T e c h n i c a lC o l l e g e ，T a i z h o u318 0 0 0 ，Z h e j i a n g ，C h i n a A b s t r a e t T h ee f f e c t so fg a d o l i n i u mont h em i c r o s t r u c t u r eo fA Z 81 m a g n e s i u ma l l o y a r ei n v e s t i g a t e d b yo p t i c a l m i c r o s c o p e ，S E Ma n dX - r a yd i f f r a c t i o na n a l y z e r ．T h er e s u l t ss h o wt h a tm a g n e s i u ma l l o y sw i t hG dm a i n l yc o n s i s to f d M gm a t r i x ，厣一M g l7A I l 2p h a s ea n dA 1 2G dp h a s e ．T h em i e r o s t r u c t u r eo fA Z 8 1 a l l o yw i t h a d d i t i o no fg a d o l i n i u mi s r e f i n e da n dh o m o g e n e o u s l y ，t h ev o l u m ef r a c t i o no f 卢一M g l 7A I l 2p h a s ei sd e c r e a s e d ．T h e 卢- p h a s ea r ec o n g r e g a t e da n d c o a r s e n e dw i t ht h ee x c e s s i v eG da d d i t i o n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A Z 81a l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；g a d o l i n i u m 万方数据