不同合金元素对Mg15Al高铝镁合金组织与性能的影响

许美贤，王红霞

（太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有重量轻、电磁屏蔽效果好、抗震减振能力强、易于机械加工成形和易于回收再利用等优点，在航空航天、汽车以及3C产品领域有广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”[1]。当前，制约镁合金作为结构材料广泛应用的问题之一是其力学性能较差，在某些对强度有特殊要求的场合下，无法满足要求。这就需要采取适当的措施来提高镁合金的强度，压铸、挤压、合金化都可以用来提高镁合金的强度。但是压铸需要特定的设备，成本比较高；挤压则耗时较长；相比较而言，合金化是成本最低，最有效，也是最常用的方法。目前，在AZ系列上采取合金化的方法来提高强度已经取得了比较大的进展，但对高Al镁合金方面的研究还较少。为此，本文主要探讨几种常见的合金元素（Zn，Nd，Si）对高Al镁合金组织和性能的影响。首先制备出 Mg15Al、Mg15Al1Zn、Mg15Al1.5Nd、Mg15Al1Si4 种镁合金，然后比较这4种合金在铸态下金相组织和力学性能，得出这3种合金元素对高Al镁合金组织和性能的影响规律。

1 试验材料及方法

1.1 实验材料及熔化工艺

本实验采用纯镁、纯铝、Al-Si、Al-Nd中间合金作为实验的原材料（其中Si和Nd在Al-Si、Al-Nd合金中的质量分数分别为25%和30%）。实验合金的化学成分见表1。

表1 合金的成分（质量分数，%）

图1 Mg15Al-x镁合金的金相组织照片

先将模具和原料一起预热到200℃，当电阻炉加热到500℃时将料放入置于炉中的不锈钢杯内，升温至700℃进行熔炼，熔化后升温至740℃，先进行扒渣，待炉温升到740℃，放入（质量分数）0.5%C2CL6精炼2 min，扒渣后升温至740℃保温10min，再次扒渣，待温度回升至740℃通入Ar气，搅拌2min，回温至740℃保温15min，降温至700℃先扒渣，然后浇入预热好的金属型模具中。本实验在熔炼时采用CO2和SF6的混合气体作为保护气体。Mg15Al1Zn，Mg15Al1Si，Mg15Al1.5Nd 合金的熔炼工艺与Mg15Al熔炼工艺基本相同。

1.2 微观组织观察及力学性能测试

使用电火花线切割机将铸锭切割成1 cm×1 cm的金相试样及3mm×13mm×1.5mm的拉伸试样。在Cmm-20光学显微镜上观察组织并拍照。在SANS型电子万能试验机上以0.5mm/min的速率对4种合金的试样进行室温拉伸试验。

2 结果与分析

2.1 Zn、Nd、Si对 Mg15Al高铝镁合金微观组织的影响

图1为Mg15Al-x合金的金相组织照片。图1a）为Mg15Al合金组织照片，图中白色相为α-Mg基体，灰色并以粗大网状形式存在的是β-Mg17Al12相。图1b）为Mg15Al1Zn合金的金相组织，其组织与Mg15Al合金相似。图1c）为Mg15Al1Si合金组织照片，可以看到有第三相，形态为汉字状和块状。图1d）为Mg15Al1.5Nd合金组织照片，可以看到有针状的第三相。对比 1 图 a）、b）、c）和 d）可以看出，加入合金元素后，Mg15Al-x合金中的α-Mg基体和β-Mg17Al12相都得到了明显的细化。

图2为Mg15Al合金组织中黑色组织（见图1a）中黑色箭头所指）放大图。根据Mg-Al二元相图可以看出[2]，对于Mg15Al合金而言，合金冷却时，当温度降至相图中的液相线时，合金首先发生的是匀晶反应：L→α-Mg，继续冷却在437℃发生共晶反应L→α+β，使凝固组织中产生（α+β）共晶组织，分布于初生α-Mg相的晶界上。在共晶反应后的冷却过程中，由α-Mg中析出的二次β-Mg17Al12分布于共晶周围。所以，可知Mg15Al合金组织中的黑色团簇物质是沿着共晶β相的边界以层片状向晶粒内部生长的二次析出β相。

图2 Mg15Al合金金相组织

为了确定四种Mg15Al-x合金的相组成，对其进行XRD检测，通过与标准pdf卡对比，得到如图3所示结果。由图3a）、b）可知 Mg15Al和Mg15Al1Zn合金由α-Mg基体和β-Mg17Al12相组成，但是Mg15Al1Zn合金的β相的衍射峰强度高于Mg15Al合金中β相的衍射峰强度，可见Mg15Al1Zn合金中的β相较Mg15Al合金的β相多。由图3c）和d）可知，Mg15Al1Si和Mg15Al1.5Nd合金中除了α-Mg基体和β-Mg17Al12外，还出现了汉字状或块状的Mg2Si相和针状Al11Nd3相。元素间形成化合物的难易程度可以根据电负性差值来判断，电负性差值越大，元素间结合力越大，越易形成金属间化合物。Nd与Al，Nd与 Mg的电负性差值分别为 0.4和0.1，从热力学角度分析，在Mg15Al高铝镁合金中添加的Nd将优先与Al结合形成Al-Nd化合物，由上可知，Al-Nd化合物为Al11Nd3。同理可知，Si与Al，Si与Mg的电负性差值为Si与Mg之间的大，在Mg15Al高铝镁合金中添加的Si将优先与Mg结合形成Mg-Si化合物，从上可知，Mg-Si化合物为Mg2Si[3-5]。

图3 Mg15Al-x态镁合金XRD图

2.2 Zn、Nd、Si对 Mg15Al高铝镁合金力学性能的影响

图4和5分别为Mg15Al-x合金抗拉强度和伸长率的对比柱状图。从图4可以看到，在Mg15Al合金中加入Zn和Nd后，合金的抗拉强度得到明显的提高，从151MPa分别提高到了171MPa和176MPa。分析认为：加入Zn和Nd后Mg15Al合金的基体和β相都有不同程度的细化，根据Hall-Petch关系式[2]，材料的晶粒越小，强度越高，β相还有弥散强化的作用。加入Si后，合金的抗拉强度降低，主要由于加入Si后，在晶界处形成了块状的Mg2Si相，对基体和β相割裂严重，所以加入Si后合金的抗拉强度降低。

从图5可以看到，在Mg15Al合金中加入Nd后，伸长率得到提高，从0.5%增加到1.2%，这是因为Nd能与Al生成第三相，降低合金中的β相数量，使合金的组织硬脆倾向降低。加入Zn和Si后，伸长率都降低，加入Zn以后，合金中β相数量明显增多，使合金的硬脆性增加，加入Si后，在Mg15Al合金的晶界处形成块状的Mg2Si相，这就相当于微裂纹源，所以合金的伸长率降低。

图4 Mg15Al-x合金抗拉强度对比

图5 Mg15Al-x合金伸长率对比

3 结论

1）Mg15Al高铝镁合金组织由α-Mg 和β-Mg17Al12两相组成，向Mg15Al高铝镁合金中添加Zn、Si、Nd 元素，均可细化 α-Mg基体和 β-Mg17Al12相。

2）向Mg15Al高铝镁合金中加入Si和Nd后，合金组织中均出现第三相，分别为汉字状或块状的Mg2Si相和长针状的Al11Nd3相。

3）向Mg15Al高铝镁合金中加入Zn和Nd后，合金的抗拉强度均比Mg15Al合金的高。增幅分别为13.2%和16.6%。加入Si后合金抗拉强度比Mg15Al合金低。

4）向Mg15Al高铝镁合金中加入Zn和Si后，合金的伸长率均比Mg15Al合金的低。加入Nd后，合金的伸长率比Mg15Al合金高，增幅为140%。

［1］肖泽辉，罗吉荣.镁合金铸造生产在我国的现状及其发展对策［J］.轻金属，2004（2）：43-45.

［2］美国金属学会.金属手册［M］.北京：机械工业出版社，1994.

［3］American Society for Metals.Metals Handbook［M］.Ohio：Metals Park，1973

［4］肖纪美.合金能量学［M］.上海：上海科学技术出版社，1985.

［5］Wei L Y.Development of microstructure in cast Mg-Al-Rare earth alloys［J］.Mater Sci Tech，1996，12（19）：741-750.

［6］刘敏娟，李秋书，莫漓江，等.稀土元素对AZ31镁合金组织和力学性能的影响［J］.铸造设备与工艺，2010（2）:28-31.