稀土元素 Ce、Dy、Nd 对Mg-Zn-Y基准晶合金显微组织的影响

王志峰，赵维民，崔 妍，范生磊

（河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130）

稀土元素 Ce、Dy、Nd 对Mg-Zn-Y基准晶合金显微组织的影响

王志峰，赵维民，崔 妍，范生磊

（河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130）

本文在铸铁模具冷却条件下制备了 Mg－Zn－Y－RE（RE=Ce，Dy，Nd）准晶合金，并对不同稀土元素对Mg－Zn－Y基准晶合金显微组织的影响进行了研究。结果表明：花瓣状的准晶和层片状的共晶是合金凝固相的主要组成物；EDS分析表明在三种稀土中，Dy更易形成四元准晶，而Nd不易形成四元准晶。进一步的研究表明：四元稀土准晶的形态受球形临界半径的影响，Ce，Dy，Nd三种稀土元素形成球形四元准晶的添加量分别为1.0、0.2、0.5；此外，本文冷却条件下形成四元Mg－Zn－Y－RE准晶的临界半径约为5.5～6.0μm。

准晶合晶；镁合金；稀土；显微组织

自从首个准晶样品在快速凝固的铝锰合金中被制备出来[1]，数以千计的各国科研工作者便投身于此领域的科学研究。二十面体相因其具有特殊的晶格结构而拥有独特的、同时极具吸引力的机械和物理性能，如高强、高热导、低摩擦系数等[2]。虽然天生的脆硬性使他们并不能直接被用作结构材料而使用，但研究发现它们非常适合用作韧性基体的强化相[2]。1993年，罗治平博士首次在Mg－Zn－Y三元合金中发现了稳定的二十面体准晶[3]，这使得Mg－Zn－Y系合金成为了能够制备高强镁基复合材料的备选合金[4]，该系合金有可能被开发成具有相当受力能力的材料而用于结构方面应用。

过去的研究中，科研工作者们已探明不同的组元比例对Mg－Zn－Y合金凝固相种类以及显微组织结构的影响[5]。多元的球形准晶在普通铸造条件下被成功制备出来[6]。然而稀土元素用作准晶第四组元及其对准晶形成能力的影响还鲜为报道。在本文中，三种不同的稀土元素Ce、Dy和Nd被用于合成多元准晶。本文将对三种稀土元素对多元准晶的形成能力进行初步研究，也将为四元球形富稀土二十面准晶的合成和镁基高强准晶合金的开发打下基础。

1 实验内容及方法

实验使用99.95%（质量分数，下同）的工业纯镁，99.95%的电解锌锭，99.99%的纯稀土，以及Mg－29.12%Ce、Mg－29.05%Y、Mg－29.35%Nd 和 Mg－29.03%Dy中间合金来熔配实验合金，合金成分列于表1中。熔炼过程在石墨坩埚中，于带保护气的SG2－5－10A型坩埚式电阻炉中进行。合金熔炼过程中通以CO2/0.5vol.%SF6的保护气，防止镁液燃烧。合金熔化后，在800℃搅拌2min，并在770℃静置2min，随后被浇注进铸铁模具中。合金反复熔炼3次，以确保其成分均匀。合金显微组织在带能谱分析（EDS）的扫描电镜（SEM，Philips XL30，the Netherlands）下进行观察和分析。

表1 实验合金的成分

2 结果与讨论

图1所示为实验合金的显微组织。合金凝固组织主要由花瓣状准晶相和层片状共晶相组成，并存在少量黑色粒状α－Mg相，而灰色Mg7Zn3相仅在Mg－Zn－Y－Dy合金中存在。Mg－Zn－Y－Nd合金中，当 Nd含量在0.2%到0.8%时，层片状的共晶相占据了合金绝大多数体积，并使准晶相数量较小。而在Mg－Zn－Y－Ce和Mg－Zn－Y－Dy合金中，准晶相的体积分数相对较高。此外，在三种Mg71.5Zn26Y1.5RE1.0合金中，准晶花瓣的尺寸都较大，并且形态粗化、花瓣形态不规整。

图2所示为实验合金的线扫描分析。从检测结果可知各元素的分布规律：镁元素在准晶相中的含量小于其在α-Mg和共晶中的含量，且Mg的含量在准晶相中最低，在α-Mg中最高；锌元素的分布趋势在准晶相和共晶相中基本一致；Y和RE元素在准晶相中的含量要高于其在周围其它相中的含量；然而Mg72.0Zn26Y1.5Nd0.5合金中Nd元素的含量在不同相中变化不明显，说明其形成准晶相的能力不高。

在实验中，我们期望得到的是具有圆整花瓣状或球形的准晶，尤其是得到全部的球形准晶最为理想。实验发现三种稀土元素形成Mg-Zn-Y-RE球形准晶的能力不一样，且形成球形准晶时需要的RE含量也有很大分别。表2所示为对图1中不同球形准晶进行EDS点扫描的分析结果，球形准晶中Ce和Dy的原子百分比要明显高于元素Nd。需要强调的是，当Dy的添加量仅为0.2%时，较高体积分数的球形准晶即被合成出来。从另一个方面说，Dy在形成球形准晶方面的能力是三种稀土中最强的，也是所需添加量最低的。

表 2 EDS点扫描分析结果

据研究报道称[7]，准晶形态在花瓣状和球形状间变化受球形临界半径的影响，当实际半径小于这个球形临界半径时，准晶将保持球形形态，否则将长大为花瓣状。这个球形临界半径的大小受熔体过冷度和表面能的影响，并与过冷度成反比、而与表面能成正比关系。在恰好达到球形临界半径的情况下，如向熔体内加入微量第四组元，将提高准晶相的形核率，增大表面能，从而使理论球形临界半径增大，有利于球形准晶的形成。但如果过量第四组元的加入将使其富集在固/液界面前沿,并形成成分过冷,使得理论球形临界半径降低，不利于球形准晶的形成，因此本实验在RE添加量较大，达到1%时，准晶形态为花瓣状，且粗化明显。由图1检测结果进一步分析知，本文冷却条件下形成四元Mg－Zn－Y－RE 准晶的球形临界半径约为 5.5～6.0μm。

3 结论

（1）花瓣状准晶相和层片状共晶相构成了Mg－Zn－Y－RE（RE=Ce，Dy，Nd）准晶合金凝固组织的主体。不同稀土元素Ce、Dy和Nd作为第四组元合成多元准晶的能力不同。三种稀土元素中，Dy的能力最强，而Nd最弱。

（2）准晶形态受球形临界半径的控制，仅当半径小于此临界半径时，球形准晶才可形成，否则得到的将是长大的花瓣状准晶。三种稀土元素Ce、Dy和Nd形成球形准晶所需的添加量分别是0.8%，0.2%和0.5%。此外，本文冷却条件下形成四元Mg－Zn－Y－RE准晶的球形临界半径约为5.5～6.0μm。

[1]D.Shechtman，I.Blech，D.Gratias，et al.Metallic phase with long－range orientational order and not ranslational symmetry[J].Phys.Rev.Lett.，1984，53:1951－1953.

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[4]梁艳，黄晓锋，王韬，等.高强镁合金的研究状况及发展趋势[J].中国铸造装备与技术，2009（1）:8－12.

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[6]Z.F.Wang，W.M.Zhao，X.P.Lin，et al.Effect of Mn and Cu on spheroidized process of Mg－Zn－Y－based icosahedral quasicrystal phase[J].Adv.Mater.Res.，2009，79－82:1403－1406.

[7]J.S.Zhang，H.W.Du，B.F.Lu，et al.Effect of Ca on crystallization of Mgbased masteralloy containing sphericalquasicrystal[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2007，17:273－279.

[8]W.W.Mullins，R.F.Swkerka.Morphological stability of a particle growing by diffusion or heat flow [J].Journal of Applied Physics，1963，34（2）:323.

Effects of RE（RE=Ce,Dy,Nd）on Microstructures of Mg-Zn-Y-based Quasicrystal Alloy

WANG ZhiFeng,ZHAO WeiMin,CUI Yan,FAN ShengLei
（School of Materials Science and Engineering Hebei University of Technology,Tianjin 300130,Hebei China）

Mg-Zn-Y-RE （RE=Ce,Dy,Nd） quasicrystal alloys have been fabricated under cooling conditions of cast iron die.Effects of different RE elements on Mg-Zn-Y-based quasicrystal microstucture have been researched,resulting in that petal-like quasicrystals and lamellar eutectic were main phases.EDS analysis indicated that it was not easy for Nd to form quarternary quasicrystals while it was very easy for Dy to form quarternary quasicrystals.The further study showed that the quarternary quasicrystal morphology was decided by the spherical critical radius.The contents of RE for forming spherical quarternary quasicrytals were 1.0 for Ce,0.2 for Dy and 0.5 for Nd,respectively.Moreover,the critical stable radius Rr of Mg-Zn-YRE quasicrystals was about 5.5-6.0μm under cooling process of this paper.

Quasicrystals；Mg alloy；Rare earth；Microstructure

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）03－3

河北省自然科学基金（E2010000057）资助项目

2011－01－14

2011－007

王志峰（1982－），男，博士研究生，研究方向：轻合金及其加工技术