混合稀土RE 对Mg-10Al 合金组织及性能的影响

李雪梅，马丽娜，罗 辉，马 彪，王伟伟，王红霞

（太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

Mg-Al 系列镁合金不仅具有密度小、比强度和比刚度高、导热导电性能好、易于成形加工、废料容易回收等镁合金共有特点，而且具有良好力学性能、铸造性能和低廉的成本，因此在汽车、电子、仪表以及航天航空等领域应用非常广泛[1]。Mg-Al 合金中，主要强化相为沿晶界析出的β-Mg17Al12，此相随着Al 含量的增加，逐渐增多，合金强度提高，但当Al 质量分数大于10%时，β 相将变得异常粗大且形成连续析出的网状，导致合金强度、塑性显著下降。资料表明稀土元素具有表面活性[2-5]，在镁合金中可以净化合金溶液、细化组织、提高合金室温及高温力学性能、增强耐蚀性。故本实验选择Al 质量分数为10%的Mg-10Al 合金，添加混合稀土RE（La，Ce） 探讨其对Mg-10Al 合金组织形态及力学性能的影响。

1 试验材料及方法

用99.8%镁锭和99.9%铝锭及镁稀土中间合金w [RE（La、Ce）]=30%配制成名义成分为：w（Al）=10%，w（RE）：0%、0.5%、1.0%、1.5%，2%，其余为Mg的合金。镁合金熔炼试验在SXZ-5-2 电阻炉中进行，使用涂刷自制水玻璃涂料的不锈钢坩埚，一次装炉量400 g，熔炼时，将坩埚预热到400 ℃，在底部撒入适当的RJ-4 覆盖剂，放入预热到150 ℃以上的镁锭、铝锭、铝铍块，在其上表面覆盖适量RJ-4熔剂。将炉温调到780 ℃，待各合金熔化后，扒渣，以小块的形式加入Mg-RE 中间合金，搅拌2 min，使其成分充分溶解，重新加入覆盖剂，保温30 min.将炉温降至760 ℃，扒渣，加入精炼剂搅拌2 min，静置20 min，扒渣后浇入φ20 mm×150 mm 的圆柱形金属模中制成坯料。在距坯料两端10 mm 处截取试样，采用KY22000 型X 射线衍射仪进行物相分析、LeicaDM2500 金相显微镜进行组织观察。然后将坯料线切割成拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，并打磨光滑（尤其是圆角）。拉伸实验在WDW-100 KN 型电子万能试验机上进行，拉伸速率为0.01 mm/s（ε＝10-3s-1），同一状态的试样重复做3次，取平均值。

图1 拉伸试样尺寸

2 结果及分析

2.1 Mg-10Al 显微组织分析

图2 为铸态Mg-10Al 合金显微组织图。由图3可知，当Al 在Mg 中的质量分数为2%～12.7%范围时，平衡结晶（缓慢冷却）状态下的室温组织应当是α-Mg 固溶体与β-Mg17Al12沉淀相的混合物，没有共晶组织。但在实际生产中，冷却速度较快，即产生非平衡结晶，导致液相生成的初生α-Mg 相中的溶质元素Al 来不及扩散均匀化，并在尚未凝固的液相中富集，此时在铝质量分数较多的镁合金中，Al 在液相中往往超过溶解度极限，从而导致初生α-Mg固溶体发生显著的晶内偏析，沿晶界剩余液相发生共晶反应：L→α-Mg+β-Mg17Al12，形成沿晶界分布的α-Mg+β-Mg17Al12共晶网。故Mg-10Al 合金在金属型冷却条件下，形成如图2 组织，尺寸为50 μm～80 μm 团絮状初生α-Mg、从初生α-Mg 中析 出 的 颗 粒 状 β -Mg17Al12及沿晶界断续网状分布的α-Mg+β-Mg17Al12共晶体。

图2 Mg-10Al 合金显微组织

图3 镁铝合金二元相图[6]

图4 Mg-10Al-1.5RE 合金X 射线衍射图谱

2.2 混合稀土对Mg-10Al 合金显微组织及物相的影响

图4 是Mg-10Al-1.5RE 合金的XRD 图谱。通过比对PDF 卡，可知，Mg-10Al 合金，添加质量分数为1.5%RE 后，除了α-Mg 基体和β-Mg17Al12相，还出现了新相Al2RE 和Al11RE3.稀土具有活泼的化学性质，有可能形成Al-RE、Mg-RE、Mg-Al-RE 化合物[7]。而元素间形成化合物的难易程度，可从其电负性差值来判断。电负性差值越大，元素间的结合力力越大，越容易形成金属化合物。根据资料可知La、Ce 和Al 的电负性差值要大于La 、Ce 和Mg 间的电负性差值。因此在镁合金中加入稀土，可能优先生成Al 和La、Al 和Ce 的化合物[7]。 根据Al-La、Al-Ce 二元相图[8]分析可知：当稀土质量分数较低时，凝固析出Al2RE 相（Al2La 为1405 ℃，Al2Ce 为1480 ℃）.稀土质量分数逐渐增加时，Al2RE 相生成量增多。当加入稀土的质量分数达到一定程度时，Al2RE 相发生反应形成Al11RE3相。结合文献[9]，Al2RE 相一般呈颗粒状，Al11RE3相呈针状。因此添加1.5%RE 后，合金组织由α-Mg 基体、β-Mg17Al12相，颗粒状的Al2RE 相和针状的Al11RE3相组成，见图5 所示。

图5 Mg-10Al-1.5RE合金金相放大图

图6 为添加不同质量分数（0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，）混合稀土后Mg-10Al-xRE 合金的显微组织图。与图3 相比，添加混合稀土后合金初生a-Mg 相基体晶粒明显细化，沿晶界不连续网状分布的β-Mg17Al12相变为弥散分布的粒状或块状，呈断网趋势。且对比图6a）、b）、c）和d）可见，随着混合稀土质量分数的增加，晶粒细化效果逐渐增加，β-Mg17Al12相分散效果逐渐增加。当稀土质量分数为0.5%和1.0%时，出现颗粒状新相Al2RE（图6a）和b））；当RE 质量分数达到1.5%时，晶粒细化效果最佳，出现针状Al11RE3相（图6c））；RE 质量分数继续增加到2.0%时，α-Mg 晶粒又有变大的趋势，β-Mg17Al12相分散效果最好，针状Al11RE3相尺寸变大（图6d））。

图6 Mg-10A-xRE 合金金相组织

分析认为：混合稀土RE（La 和Ce）在-Mg 的固溶度小，而且它随温度降低而降低。在合金凝固时，由于溶质再分配，进入初生α-Mg 的RE 很少，大量的RE 元素在固/液界面前沿富集，从而增大了Mg-10Al 合金的成分过冷，使初生α-Mg 晶粒得到细化。另一方面，加入混合RE 后，RE 与合金中的Al形成针状的铝稀土新相，这些化合物大部分偏聚在晶界上，阻碍了初生α-Mg 晶粒的长大，进一步细化了晶粒。由于稀土与Al 结合生成新的针状和颗粒相，消耗了合金中Al，抑制了β-Mg17Al12相的形成，使β 相数量减少，尺寸减小，并由网状逐渐变为弥散分布的颗粒状或块状[2-5]。

2.3 Mg10A-xRE 合金力学性能的分析

图7 为添加不同质量分数混合稀土后合金的拉伸性能图。由图7 可知，在Mg-10Al 合金中加入混合稀土RE 后，合金的抗拉强度和伸长率均得到显著提高。随着混合稀土RE 质量分数的增加，合金的抗拉强度与伸长率都呈现先增大后降低的趋势。在RE 质量分数为0.5%时伸长率达到最大值，由Mg-10Al 合金的0.5%增加到1.56%. 在RE 质量分数为1.5%时，抗拉强度达到最大值，从Mg-10Al 合金的81 MPa 提高到164 MPa.RE 质量分数继续增加时，合金抗拉强度反而下降。

图7 Mg-10Al-xRE 合金拉伸性能变化图

晶粒尺寸和第二相的形态是影响力学性能的两个重要因素[1]。Mg-10Al 合金由于晶粒粗大，β-Mg17Al12相呈断续网状分布，拉伸变形时对基体有严重割裂作用，因此抗拉强度和伸长率都较低。当加入0.5%和1.0%RE 时，初生α-Mg 显著细化，网状的β-Mg17Al12相逐渐变的弥散细小，颗粒状新相Al2RE 逐渐增加，因此抗拉强度逐渐提高。当加入1.5%稀土时，晶粒达到最细，β-Mg17Al12相基本呈颗粒状弥散分布，而且在晶界出现了大量尺寸较小的针状化合物Al11RE3相，拉伸时对晶界起到良好的钉扎作用，有效阻止位错运动和晶界滑移，起到了析出强化作用，使抗拉强度达到最高。当加入2.0%稀土时，基体晶粒有所变大，而且在晶界分布的针状化合物数量增多、尺寸变大，拉伸变形时反而成为裂纹源，故抗拉强度有所下降。对于伸长率在RE质量分数为0.5%时达到最大，主要是由于α-Mg 基体的细化和网状共晶β 相的断网和分散，且颗粒状硬质Al2RE 相较少。因为在相同外力的作用下，细小晶粒的晶粒内部和晶界附近的应变度相差较小，变形较均匀，相对来说，因应力集中引起开裂的机会也较少，这就有可能在断裂之前承受较大的变形量，而且细晶粒金属中的裂纹不易产生也不易传播，在断裂过程中吸收了更多的能量，因而表现出较高的塑性。当RE 质量分数继续增加到1.0%和1.5%时，Al2RE 相增加，甚至出现大量针状Al11RE3，此时由于拉伸变形过程中这些硬质相周围容易产生应力集中，从而塑性略有下降。而RE 质量分数增加到2.0%时，基体晶粒出现粗化，针状Al11RE3变大，这些硬质相对基体起到裂纹源的作用，故其塑性降到最低。

3 结论

1）在Mg-10A1 合金中加入混合稀土RE，可以使初生α-Mg 相有效地细化，β-Mg17Al12相由不连续网状变为颗粒状，并弥散分布，同时形成了Al2RE和Al11RE3新相。

2）Mg-10A1-xRE 合金中，随着RE 质量分数增加，初生α-Mg 晶粒逐渐细化，β-Mg17Al12相逐渐分散，在RE 含量为1.5%时，细化效果达到最佳，当RE 含量继续增加到2.0%时，组织又略有粗化。

3）在Mg-10Al 合金中加入混合稀土RE 后，合金的抗拉强度和伸长率均得到显著提高。随着RE质量分数的增加，合金的抗拉强度与伸长率均呈现先增大后降低的趋势。伸长率在RE 质量分数为0.5%时达到最大值，抗拉强度在RE 质量分数为1.5%时，达到最大值，从81 MPa 提高到164 MPa.

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