富铈混合稀土对Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金组织及力学性能的影响

丁雨田，方 元，于善坤，胡 勇，刘广柱

（1.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050；2.兰州理工大学 甘肃省有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州 730050）

富铈混合稀土对Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金组织及力学性能的影响

丁雨田1，2，方 元1，于善坤1，胡 勇1，刘广柱1

（1.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050；2.兰州理工大学 甘肃省有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州 730050）

采用X射线衍射分析、拉伸测试、扫描电镜等方法，研究了不同添加量的富Ce混合稀土对Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr基合金的组织及力学性能的影响。实验结果表明，富Ce混合稀土添加后，Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金的晶粒得到了细化，合金形成了新强化相Mg17Ce2和Mg17La2，合金的力学性能明显得到提高，当加入0.6%的富Ce混合稀土时，Mg-Y-Nd-Zr合金的力学性能较高，随着混合稀土添加量的继续增加，强度缓慢提高，伸长率下降。

Mg-Y-Nd-Zr合金；富铈混合稀土；微观组织；力学性能；断裂

镁合金是工程材料中最轻的结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、尺寸稳定等特点；同时具有导热导电性好、阻尼减震和电磁屏蔽性能好等优点[1]。因此镁及镁合金在汽车、电子、家电、通信及航空航天等领域的应用日益增多，金属镁被冠以“21世纪绿色结构材料”[2]。但是镁合金铸造性能差，室温力学性能低，耐蚀性差等，文献[3]报道,在镁合金中加入稀土元素对提高合金的室温强度和塑性有益,目前国内外添加元素主要有Nd、Y、Ce、La等。余琨[4]等人研究了Ce对镁及镁合金中晶粒的细化机理，结果发现在Mg-Al-Zn系AZ31合金中添加微量稀土元素Ce，可以明显细化合金晶粒，晶粒度由未细化前的约300μm下降到约30μm。Aghion E[5]等研究了Y的不同添加量对Mg-3Nd-0.5Zr合金力学性能影响，结果显示随Y含量增加合金的屈服强度、疲劳强度、抗蠕变能力显著提高，而合金的伸长率有所下降。但目前国内外对在Mg-YNd-Zr合金中添加富Ce稀土对其组织及性能的影响研究较少，本论文选用Mg-Y-Nd-Zr基合金，研究富Ce混合稀土的添加对该合金组织及力学性能的影响。

1 实验方法

实验用的材料为将镁锭（99.95%，质量分数，下同）、Mg-Y（20%）中间合金、Mg-Nd（20%）中间合金、Mg-Zr(W30%)中间合金和稀土含量为20%的镁-富铈混合稀土中间合金（混合稀土成分和含量为85%Ce,10%La和5%Pr），用电阻炉在氩气保护气氛下熔炼并浇注制备。合金成分为 Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr-（0-0.9）RE。添加的富Ce混合稀土百分含量分别为 0，0.3%，0.6%，0.9%，合金的化学成分如表1所示。

表1 试验合金的化学成分（质量分数，%）

合金试样经打磨、抛光后，用MEF3型金相显微镜观察合金试样的显微组织；采用日本理学公司生产的型号为D/max-2400粉末X射线衍射仪（阳极靶为铜,电压为50kV，电流为150mA,扫描速度为 2°/min，2θ角为 10°～90°） 进行组成相分析；在 WDW-100D型微机控制电子式万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为1mm/min，并用JSM-6700F场发射扫描电镜观察拉伸断口形貌。

2 实验结果与讨论

2.1 铸态合金的金相显微组织

图1为加入不同含量混合稀土的Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr试样的金相显微组织图。从图1（a）可以看出，未加入富Ce的混合稀土的Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr，晶粒较大，随着混合稀土含量的增加晶粒越来越细小，且第二相当混合稀土的含量为0.6%时，组织均匀，第二相在晶粒内部成弥散分布，随着混合稀土含量的增加，第二相在组织内大量弥散分布，如图1（d）所示。结合 XRD 谱图可知，图 1（b）、1（c）、1（d）晶粒内析出的相由Mg17Ce2和Mg17La2相组成。

2.2 合金的XRD谱分析

图2（a）是采用X射线衍射对Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金铸态组织进行分析图。从图上看出，合金主要由α-Mg固溶体和稀土相Mg12Nd，Mg24Y5相组成。图 2（b）为 Mg-4.2Y-2.7Nd-0.6RE-0.5Zr合金铸态组织X射线衍射图谱。由图分析可知，加入富Ce混合稀土后，合金中主要的含稀土相为Mg12Nd、Mg24Y5、Mg17Ce2、Mg17La2相。结合显微组织图分析可知，镁稀土相大部分分布在晶界，这是因为稀土与镁形成共晶化合物，如Mg12Nd、Mg24Y5、Mg17Ce2、Mg17La2等，并不是凝固过程中的领先相，而且Mg-Ce、Mg-Nd、Mg-Y、Mg-La这些化合物大多数不满足作为基体镁异质核心的“尺寸结构匹配”原则，因此稀土相难成为α-Mg的异质形核核心，从而镁稀土相在凝固过程中固/液界面前沿的富集，主要存在于晶界，但当稀土含量增加时，第二相在晶粒内大量弥散分布，如图 1（d）所示。

2.3 富铈混合稀土含量对铸态合金力学性能的影响

图3是混合稀土不同添加量下的合金的抗拉强度、伸长率及屈服强度变化曲线图。

由图3（a）可知：未加入富铈混合稀土时，合金的室温抗拉强度σb为163.5MPa；而当合金中富Ce混合稀土含量为0.6%时，其抗拉强度σb达到较大值，为193.6MPa，比未添加富Ce混合稀土的合金抗拉强度提高了15.5%，比含量为0.3%的合金抗拉强度提高了11.6%。由此看出，抗拉强度σb随着富Ce混合稀土含量增加而提高，几乎呈直线上升。当继续增加混合稀土含量时，强度增加缓慢。由图3（b）可知：当富Ce混合稀土含量为0.6%时材料的伸长率最大，即其塑韧性最佳；其后随着富Ce混合稀土的增加，合金的伸长率明显下降，则材料的塑韧性降低。说明富Ce稀土元素对Mg-Y-Nd-Zr合金塑韧性的影响很敏感，富Ce混合稀土含量过高会直接影响合金的塑性成型效果。由图3（c）可知，合金的屈服强度随着富Ce混合稀土含量的变化趋势与合金的抗拉强度随着富Ce混合稀土的含量的变化趋势是一样的。

2.4 断口扫描分析

图4所示是加入不同质量分数的富Ce混合稀土的Mg-Y-Nd-Zr合金试样的拉伸断口形貌。在室温下，从4种试样的拉伸断口中观察到了高低不平的解理台阶，细小弯曲的撕裂棱，局部有小韧窝，表现出混合断裂的特征。未添加富Ce混合稀土（如图4（a）所示）的合金断裂后断口呈现微小的裂纹。随着富Ce混合稀土含量的增加，断口韧窝变多、变深，断口的韧性特征逐渐增多，脆性特征逐渐减少。当富Ce的含量为0.6%（如图4（c）所示）时，Mg-4.2Y-2.7 Nd-0.6RE-0.5Zr合金的断口中韧窝组织的比例最大，解理台阶变窄；但当富Ce混合稀土含量为0.9%时，断口韧窝又呈现变小、变浅趋势，这样的断口形貌与拉伸试验得到的伸长率变化曲线图相吻合。

3 结论

（1）Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金中添加富Ce混合稀土后，合金形成了新相Mg17Ce2、Mg17La2；在合金的凝固过程中，富Ce混合稀土元素在固/液界面前沿富集而引起成分过冷，从而进一步细化了Mg-YNd-Zr合金的显微组织，当富Ce混合稀土的含量为0.6%时，Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金组织结构均匀且第二相均匀弥散分布。

（2）合金加入富Ce混合稀土可以提高合金的力学性能。力学性能测试结果表明：当加入0.6%富Ce混合稀土时，Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr合金的抗拉伸强度、伸长率分别达到了193.6MPa和3.28%，综合性能较好；当添加至0.6%时，强化效果不明显，伸长率有所下降。

（3）未添加富Ce混合稀土的合金断裂机制为沿晶断裂，韧窝小且浅；添加混合稀土后，断口韧性特征增多，韧窝增多；但当添加量为0.9%时，韧窝组织比例呈减小趋势。

[1]梁维中，吉泽升，左锋，等.耐热镁合金的研究现状及发展趋势[J].特种铸造及有色合金，2003（2）：39-41.

[2]左铁镛.21世纪的轻质结构材料——镁及镁合金发展[J].新材料产业，2007（12）：22-26.

[3]《有色金属及其热处理》编写组.有色金属及其热处理[M].北京:国防工业出版社，1981.

[4]余琨，黎文献，张世军.Ce对镁及镁合金只能给晶粒的细化机理.稀有金属材料与工程，2005，37（7）：1013-1016.

[5]Aghion E，Gueta Y，Moscovitch N，et al.Effect of yttrium additions

Influences of Ce-Rich RE on the Mechanics Properties and Microstructure of Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr

DING YuTian1，2，FANG Yuan1，YU ShanKun1，HU Yong1，LIU GuangZhu1
（1.State Key Lab.of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China;2.Key Lab.of Non-ferrous Metal Alloys，the Ministry of Education，Lan zhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The influence of varied contents ofcerium misch metal on microstructure of the Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr alloys has been studied by means of X-ray diffraction，tensile tests，scanning electron microscopy，resulting in that the additions of cerium misch metal refined the grain of the Mg-4.2Y-2.7Nd-0.5Zr and led to form new strengthened phases that were Mg17Ce2and Mg17La2which improved the mechanics properties of the alloys，when the addition was up to 0.6%，the mechanics properties were improved greatly，with the additions increased，the strength improved slowly while the elongation decreased.

Mg-Y-Nd-Zr alloys；Ce-Rich RE；Microstructure；Mechanics properties；Fracture

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2010）02－4

兰州理工大学博士基金（编号：SB01200606）

2009－10－28

2009－140

丁雨田（1962-），男，工学博士，教授，主要从事先进凝固技术制备新材料、功能材料等方面的研究工作