热处理对Mg-Zn-Y合金显微组织和显微硬度的影响

熊汉青，王志峰，赵维民，安 杨，王子臣

（河北工业大学，天津 300130）

镁合金被誉为21世纪的绿色工程材料，具有十分广阔的应用前景。在Mg-Zn-Y合金中，稀土元素Y的加入，除了可以明显的细化晶粒、改善铸造镁合金和变形镁合金的力学性能、改善高温抗拉及蠕变性能、提高镁合金的抗氧化能力，还能改善合金的抗腐蚀性能[1]。同时，在Mg-Zn-Y合金中还会形成一种特殊的三元二十面体准晶相Zn60Mg30Y10（icosahedral quasicrystal，IQC）[2]，这种准晶相虽然自身硬而脆，却可作为韧性基体良好的强化相。各国科学家对Mg-Zn-Y系准晶的物理、化学、机械性能等做过相当多的研究，并试图通过不同的加工工艺来提升镁基准晶合金的力学性能，如挤压、轧制、粉末冶金等[3]。然而，通过热处理的方法来改善镁基准晶合金相关性能的报道却很少。本文以Mg-6Zn-1Y合金为研究对象，系统的探索T6固溶时效处理和高温退火对合金显微组织的影响，并对合金各状态下显微硬度变化进行检测分析。本文为镁基自生准晶合金的热处理研究提供了数据参考。

1 实验内容及方法

试验合金采用 Mg（99.99wt.%），Zn（99.99wt.%）及Mg-29.5%Y中间合金作为原材料，按一定配比熔配成Mg93Zn6Y1（摩尔分数）合金，在井式电阻炉（SG2-5-10A）中熔炼。熔炼前用抛光机打磨，除掉原材料表面氧化层，整个熔炼过程在混合Ar和SF6气氛下进行。熔炼温度选择700℃，合金熔化后保温10min进行浇注，浇注模具为直径ø30mm、高60mm的铜模，自然冷却。通过线切割制备直径ø30mm、高5mm 圆片状试样。T6（420℃×24h+150℃）和高温退火（550℃×2h）热处理均在Ar气保护下进行。

采用X射线衍射分析仪（DT-TD-3500）分析合金相组成；采用配有EDS的扫描电镜（SEM，Philips XL30，the Netherlands）分析合金微观组织和化学成分；采用显微维氏硬度仪（HXD-1000）测量铸态、T6态和 550℃高温退火态合金的显微硬度，设备加载载荷为50g，加载时间为10s，每种状态试样取5个点，结果取其平均值。

2 试验结果与分析

图1所示为普通凝固条件下Mg93Zn6Y1合金的XRD衍射图谱，分析结果显示Mg93Zn6Y1合金的主要相组成为α-Mg和I-phase（二十面体准晶相）。

图1 铸造Mg93Zn6Y1合金的XRD衍射图谱

图2a为普通凝固的Mg93Zn6Y1合金通过扫描显微镜放大1000倍的显微组织图。结合图1可知，该合金中主要由α-Mg和I-phase两相组成。能谱分析（图2d）可以看出，黑色块状部分主要为α-Mg，而絮状的白色相主要为Mg3Zn6Y1和α-Mg，该显微组织的最大特点是絮状的白色相以游离态形式存在，没有明显的晶界，且黑白两相区分明显。

图2b为该Mg93Zn6Y1合金通过T6态热处理后放大1000倍的显微组织图。与图2a相比，T6态的微观组织中α-Mg相区内出现了很多微小的颗粒状物质。由图2e能谱分析图可知，这类小颗粒物质不含Y元素，可以推断是镁-锌相。同时，在T6态的微观组织中絮状的白色组织有聚集的趋势。罗[8]曾证明过Mg3Zn6Y1相准晶成分会随温度升高进行一定的分解。在本试验中，固溶处理时温度693K，所以准晶相存在一定的分解。在图2b中的局部放大图中，原来的共晶组织内部出现黑色的组织，这是由于少部分准晶相分解使共晶组织分离。

图2c为该Mg93Zn6Y1合金通过550℃高温退火2h后放大1000倍的显微组织图。在该图中，能够看到明显的晶界，在晶界附近存在近似连续的聚集相。晶粒内部仍然存在部分颗粒状质点，但是颗粒数量少于T6态（图2b）。由图2f能谱分析图可知，晶界聚集相为I-phase（Mg、Zn、Y三元素之比接近3∶6∶1，即Mg3Zn6Y1二十面体准晶的成分），这种I-phase有完全占领晶界的趋势。因此，在半固态的合金中，形成一定数量的新准晶相，新生成的准晶相同时又向晶界处偏析。

图2 不同状态下的Mg93Zn6Y1合金显微组织及对应的EDS分析图

图3为铸态、T6态和550℃高温退火态显微硬度柱状图，这些数值取自于微观组织白色相组织附近的平均值，也就是I-phase相的附近区域。其中铸态的平均值为72，T6态平均值为62，550℃高温退火态平均值为82。T6处理后由于准晶相部分分解，失去一定强化作用，其微观的硬度值必然降低。550℃高温退火后，由于新的准晶相生成，并且向晶界处聚集，提高了晶界处的微观硬度值。合金的其他性能还有待进一步检测。

图3 Mg93Zn6Y1合金不同状态下的显微维氏硬度

3 结论

普通凝固的Mg93Zn6Y1合金T6态热处理时，共晶的α-Mg相和I-phase相分离,分离原因是因为亚稳态I-phase在高温下发生了分解。因此,Mg93Zn6Y1合金T6态热处理后微观硬度低于铸态组织微观硬度。550℃高温退火处理，Mg93Zn6Y1合金中有新的准晶相，并且准晶相向晶界处聚集。因此，Mg93Zn6Y1合金在550℃高温退火后晶界附近的显微硬度升高。

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