钇对AZ91合金组织和性能的影响.pdf

5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 0 ．0 1 5 钇对A Z 91 合金组织和性能的影响 孑L 凡校1 ，蝴色素娟2 ’3 1 ．广西工学院职业技术 2 ．河南神火集团有限公司，河南商丘4 7 6 0 0 0 ；3 ． 教育学院，广西柳州5 4 5 0 0 6 ； 中国铝业股份有限公司中铝科学院，北京1 0 0 0 3 6 摘要研究微量稀土钇对A Z 9 1 合金微观组织、力学性能、腐蚀性能的影响，考察钇在合金中所形成的稀 土相组成和形貌。结果表明，钇在A Z 9 1 合金中生成A I 。M g Y 相，可起非均质形核作用，减少二次枝晶 间距，细化枝晶组织。加入钇后，合金腐蚀性能得到明显改善，由严重的全面腐蚀向只有表面部分位置 有轻微点蚀的均匀腐蚀转变。当钇加入量为1 ．2 5 ％时，合金的室温和高温力学性能最好，分别为2 6 4 ．8 M P a 和1 6 4 ．8M P a 。 关键词A Z 9 1 镁合金；钇；微观组织；力学性能；腐蚀性能 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G l l 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 2 1 0 - 0 0 5 0 0 5 E f f e c to fY t t r i u mo nM i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t yo fA Z 91M a g n e s i u mA l l o y K O N GF a n x i a 0 1 ．Y A OS u j u a n 2 ’3 1 ．S c h o o lo fV o c a t i o n a la n dT e c h n i c a lE d u c a t i o n ，G u a n g x iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L i u z h o u5 4 5 0 0 6 ，G u a n g x i ，C h i n a 2 ．H e n a nS h e n h u oG r o u p ，S h a n g q i u4 7 6 0 0 0 ，H e n a n ，C h i n a ； 3 ．S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC H A L C O ，B e i j i n g1 0 0 0 3 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fy t t r i u mo nt h em i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dc o r r o s i o np r o p e r t yo fA Z gl w e r es t u d i e d ，t h ep h a s ec o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo fy t t r i u mi nt h ea l l o yw a sa l s oi n v e s t i g a t e d ．T h e r e s u l t ss h o wt h a ty t t r i u mg e n e r a t e sA 1 4M g Yp h a s ei nA Z 91a l l o ya n dr e f i n e st h ec r y s t a lg r a i nb yh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o na n dr e d u c i n gt h es e c o n d a r yd e n d r i t i cc r y s t a ld i s t a n c e ．T h es u r f a c eo fa l l o yc h a n g e sf r o m s e v e r ec o r r o s i o nt ou n i f o r mc o r r o s i o nw i t hs l i g h tp i t t i n gc o r r o s i o na f t e ra d d i n gy t t r i u m ．T h eo p t i m u mm e c h a n i c a lp r o p e r t ya tr o o mt e m p e r a t u r ea n d2 0 0 ℃a r ei m p r o v e dt o2 6 4 ．8M P a ，16 4 ．8M P ar e s p e c t i v e l y w h e nt h ec o n t e n to fy t t r i u mi si n c r e a s e dt o1 ．2 5 ％． K e yw o r d s A Z 91m a g n e s i u ma l l o y ；y t t r i u m ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；c o r r o s i o np r o p e r t y 镁合金作为最轻的结构金属材料，其比强度高 于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，用于汽车 发动机、变速箱壳体、汽缸体、汽缸盖、进／排气管及 飞机发动机机匣等零部件。但镁合金在温度超过 1 2 0 ℃时高温强度及蠕变强度会大幅下降，这限制 了镁合金在交通和航空航天领域上的应用[ 1 ] 。本文 以A Z 9 1 合金为基本成分，研究微量稀土钇对合金 组织、力学性能、腐蚀性能的影响，以提高耐热镁合 金的性能，满足汽车及航空工业对镁合金高耐热性 能的要求。 1试验设计 1 ．1 成分设计 钇在镁中的固溶度最大可达1 2 ％，添加后既可 利用固溶强化，又可利用稀土化合物对晶界的强化 来提高镁合金高温蠕变性能。但钇与氧的亲和力 收稿日期2 0 1 2 - 0 3 2 3 基金项目广西自然科学基金项目 2 0 1 1 G X N S F C 0 1 8 0 0 5 ；广西教育厅自治区级教师教育学科教学团队项目经费资助 桂教师范[ 2 0 1 1 1 8 4 号 作者简介孔凡校 1 9 8 1 一 ，男，河北邢台人，讲师，硕士． 万方数据 2 0 1 2 年1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 1 大，很难直接加入镁合金液，因此试验采用M g Y 中 间合金的形式加入。参照有关文献[ 2 ] ，以A Z 9 1 合 金为基本成分 A 19 ％，Z n1 ％，M g 余 ，钇元素的添 加量为o ．5 ％～1 ．5 ％。 1 ．2 熔铸工艺 镁合金活性强，在熔炼过程中会严重烧损，需采 取保护措施。本试验采用自行研制的复合熔剂，纯 镁烧损控制在3 ％以下，元素钇的实际收得率在 9 0 ％以上。首先在井式坩埚炉内加入占总料量5 ％ 左右的熔剂。待熔剂熔化后加入纯锌锭和镁锭，基础 料熔化后，均匀搅拌，升温至镁稀土共晶温度以上 4 0 ℃左右时，加入中间合金，为防止中间合金的氧 化烧损或沉人坩埚底部，加入时将中间合金用特定 夹具加入熔体的1 ／2 处，不断移动直到中间合金全 部熔化，调整到浇铸温度进行浇铸。 1 ．3 固溶和时效处理 对不同钇含量的合金进行差热分析，测定其低 熔点共晶体复熔转变温度。固溶温度设定在所测定 熔化温度以下1 5 ℃，通过提高固溶温度，强化未溶 相的溶解效率，提高固溶强化的效果。 在1 7 0 ℃保温0 ～2 0h ，通过测定合金的时效动 力学曲线来确定最佳的时效温度，进而确定时效热 处理制度。 1 ．4 微观组织观察 在浇铸样同一位置取样，研磨、抛光后，用苦味 酸3g 、乙酸2 0m L 、酒精5 0m L 、水5 0m L 组成的混 合浸蚀剂进行腐蚀。试样干燥后在L e i c aD M I R M 光学显微镜下进行组织观察，并利用数码相机进行 拍照。腐蚀过的样品在L V 6 3 6 0 扫描电子显微镜下 观察微观形貌，用I A C A 能谱仪进行能谱分析，确定 生成的化合物相的化学成分。 制好的试样用P h i l i pX 射线衍射仪进行相分 析，分析时采用铜靶，电压4 5k V 。 1 ．5 力学性能及腐蚀性能的测定 将铸件加工成标准的常温、高温试样，分别在 C S S - 4 1 0 0 电子材料试验机和I n s t r o n 万能试验机进 行力学性能测试，腐蚀性能测试采用浸泡腐蚀，腐蚀 液为3 ．5 ％N a C l 溶液。 2 结果分析 2 ．1 铸态组织 合金金相照片见图1 。 图1不同钇含量A Z 9 I 合金的金相组织 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fA Z 9 1a l l o yw i t hd i f f e r e n ty t t r i u mc o n t e n t s a O ％Y ； b 0 ．5 ％Y ； c 0 ．7 5 ％Y ； d 1 ．0 ％Y ； e 1 ．2 5 ％Y ； f 1 ．5 ％Y 由图1 可见，未添加钇的A Z 9 1 合金为典型的 粗大铸态枝晶组织，基体为a M g 相，p M g t ，A l t z 相 以连续或半连续状分布在基体中。B 相以离异共晶 相和层片状的形式存在，其中离异共晶相在显微镜 下呈白色的网状分布，层片状p 相在合金凝固过程 中从基体中析出，在金相显微镜下呈黑色。添加钇 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 元素后，铸态组织发生明显细化，晶粒和枝晶组织均 更为均匀细小，主要是钇促使大量的非均质形核，减 少二次枝晶间距，细化枝晶组织。 未添加钇的合金中晶粒尺寸约为1 5 0 ～3 0 0 肛m ，晶内二次相粒子尺寸约为1 0 弘m 。随钇含量的 增加，合金组织明显细化，B M g 。，A 1 。。的碎化程度加 大，当钇的加入量达到1 ．2 5 ％时合金组织得到最大 细化．I 耳t 牦R - n J I l l ，少到矾一1j nf m l ，i 次f 丌粒了在 1 1 I ’I ，f 1 I } 销| j J 分，| J ，i 为J ，j0 J ．J ，J ‘讥扼少j 、I Jj ”T 1 1 以卜I 当钇加入量达到1 ．5 ％时，由于稀土元素的含量偏 高，稀土相发生偏聚，导致有较多粗大的稀土相颗粒 生成，晶粒组织重新变得粗大。 关于稀土相的偏聚通过S E M 分析得到进一步 证实。通过图2 可以看出，当钇含量为1 - 2 5 ％时， 无论是稀土相还是碎断的第二相在基体和晶界均分 布均匀，但随着钇加入量提高至1 ．5 ％，稀土相偏 聚．而已经碎断的茚■丰丌又币新丌始变得粗大 图2A Z 9 1 1 ．2 5 ％Y a 和A Z 9 1 十1 ．5 ％Y 【b 的S E M 形貌 F i g ．2 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo fA Z 9 1w i t h1 ．2 5 ％Y a a n d1 ．5 ％Y b 通过分析合金X R D 图 图3 ，可以看出合金主要 是由旷M g 、M g 。，A 1 1 2 、A t , M g Y 稀土相组成。通过分析 不同钇添加量合金的相组成，发现稀土相均为 A t 。M g Y 。钇细化合金组织的原因主要是A L M g Y 起 非均质形核作用[ 3 。4 ] ，而且在凝固过程中钇元素在固液 界面富集，导致合金成分过冷，改变了结晶方式；另外， 在晶界分布的稀土相阻碍了晶粒和伊M 蜀，A t 。的生长， 减少了二次枝晶间距，从而细化枝晶组织，最终使显微 组织由粗大的树枝晶转变为细小的等轴晶。 _ M g ★M g ，纠 ★ 北盯，． t 乞． 1 b2 0Z 5 3 54 0 4 5 5 { 13 3“I6 ．57 0 7 5 2 0 ／ 。】 图3A Z 9 1 1 ．5 ％Y 的X R D 图谱 F i g ．3 X R Dp a t t e r no fA Z 9 1w i t h1 ．5 ％Y 2 ．2 合金的力学性能 A Z 9 l 合金的力学性能测试结果见表1 。 表1A Z 9 1 合金力学性能 T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA Z 91a l l o y 由表1 可知，稀土元素钇可显著提高合金的高 温性能，添加量在1 ．2 5 ％时，合金的室温和高温强 度达到最大值。 2 ．3 腐蚀性能 在3 ．5 ％N a C l 溶液中浸泡7 2h 后不同钇含量 合金的宏观形貌见图4 。 从图4 可看出，未添加钇的合金在浸泡之后为 全面腐蚀，呈大面积坑蚀的严重腐蚀状态，部分腐蚀 坑纵深发展；添加0 ．5 ％钇后，合金腐蚀程度降低， 部分位置显示耐腐蚀性，但整体腐蚀仍较严重；随着 钇含量的增加，合金的腐蚀逐步减轻，添加1 ．0 ％钇 时，合金表面开始呈局部的均匀腐蚀状态，同时腐蚀 深度变浅；钇添加量为1 ．5 ％时，仅表面部分位置有 轻微点蚀，合金整体表现出均匀腐蚀的特征。腐蚀 合金的能谱分析结果见图5 。 万方数据 2 0 1 2 年1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 图4 不同钇含量A Z 9 1 合金的宏观腐蚀形貌 F i g ．4 M a c r o c o r r o s i o np a t t e r no fA Z 9 1a l l o yw i t hd i f f e r e n ty t t r i u mc o n t e n t s a O ％Y ； b 0 ．5 ％Y ； C 1 ．0 ％Y ； d 1 ．5 ％Y 图5 表明，两种未被腐蚀的相都是由镁和铝组 成，这两种相都是p M g 。，A I Ⅲ一种是离异共晶p 相，而另一种层片状的则是在凝固过程中从基体析 出的B 相；从图5 还可看到层片状第三相的存在，该 0246 R 1 01 2 1 4 k c V 层片状结构与层片状的p 相不同，通过分析发现该 相含有A I 、M g 、Y 、M n 元素，应是新生的稀土相 A 1 。M g Y ，但M n 是以何种形式存在仍需深入研究。 谱c O2 4 6 8 l f l1 21 41 6 k e V 图5 腐蚀合金的微观形貌和能谱分析 F i g ．5 M i c r o s t r u c t u r eo fc o r r o s i o na l l o ya n dE D Xa n a l y s i s 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 3结论 1 钇在A Z 9 1 合金中生成A 1 。M g Y 稀土相，晶 粒尺寸由1 5 0 ～3 0 0p ．m 减小到5 0 ～1 5 0F m ，晶内二 次相粒子尺寸由1 0p ．m 减小到1 ～4p ．m 左右。 2 钇含量为1 ．2 5 ％时合金的室温和高温力学 性能最好，分别为2 6 4 ．8M P a 和1 6 4 ．8M P a 。 3 合金耐腐蚀性能随钇加入量的提高由严重的 全面腐蚀向只有表面部分位置有轻微点蚀的均匀腐 蚀转变，耐腐蚀性能得到明显改善。 4 稀土钇可显著改善A Z 9 1 镁合金的耐热、耐 腐蚀性能，是耐热镁合金的有效添加元素。 参考文献 [ 1 ] 刘洋，谢骏，郭雪锋．M g Z n 系耐热铸造镁合金的最新 研究进展[ J ] ．铝加工，2 0 1 0 3 2 02 6 ． [ 2 ] 姚素娟，李旺兴，杨胜，等．钇对A Z g l 镁合金微观组织 及腐蚀性能影响的研究E J ] ．中国稀土学报，2 0 0 7 ，2 5 3 3 2 9 3 3 1 ． [ 3 ] 张晓霞，陈刚，屈卫棋，等．M g S r Y 中间合金对A Z 3 1 镁合金铸态组织的影响[ J ] ．重庆科技学院学报，2 0 1 1 ， 1 3 5 1 1 1 1 1 3 ． [ 4 ] 狄石磊，郭峰，张建华，等．钇和铈对A Z 9 1 D 镁合金的 组织及力学性能的影响[ J ] ．兵器材料科学与工程， 2 0 1 0 ，3 3 3 6 4 6 8 ． 入网通知 9 飞 ≮ ≮ ≮ ≮ 本刊已于1 9 9 7 年全文人编中国学术期刊 光盘版 ，1 9 9 9 年加入“中国 期刊网’’和“万方数据网“ ，作者稿酬已于本刊印刷版一次付清。不同意文章 上网者，请在来稿上附带声明，以便本刊做适当处理。“中国期刊网’’网址 h t t p ／／w w w ．c n k i ．n e t ／，本刊网址h t t p ／／m e t e ．c h i n a jo u r n a l ．n e t ．c n ／o 万 方数据网址h t t p ／／w w w ．c h i n a j o u r a l ．g o v ．c n ／p e r i o d i c a l ，本刊网址h t - t p ／／y s js - y ．p e r i o d i c a l s ．n e t ．c n ／d e f a u l t ．h t m l o 本刊已开通网上在线投稿，请作者登录网站在线投稿，本刊网站地址 为h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c a o p≯ r冬冬， ooo≮≈0毋毋 一 带矿pp毋毋p 一一 万方数据