Y对挤压Mg-6Gd-xY合金组织及性能的影响

李晓航 陈 琪 王海瑞 单 聪

（装甲军代局驻西安地区军代室，陕西 西安710032）

金属镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料。变形镁合金由于具有较高的强度其应用愈加广泛，但也存在室温力学性能较低等缺点。在镁合金中加入稀土元素Y、Gd、Nd等并辅以相应的热处理对提高合金的室温强度有益[1-3]。张继东等人研究了Y对Mg-Zn-Zr系镁合金组织及强度的影响，结果发现Y具有明显的晶粒细化作用，当含量为0.9%时，合金的组织和强度达到最佳。李媛媛等人研究了热挤压镁合金AZ91的微观组织及力学行为，发现固溶和人工时效处理可显著提高合金的室温拉伸性能[4]。Mg-Gd-Y系合金是可热处理强化合金[5-7]，但目前国内外对Mg-Gd-Y系挤压镁合金组织及性能的研究较少，因此本文选用Mg-Gd-Y合金系，探讨Y含量对该合金组织及力学性能的影响，为进一步提高Mg-Gd-Y系合金的强韧性提供理论依据。

1 实验方法

试验合金名义成分见表1。试验材料在坩埚电阻炉中进行熔炼，采用熔剂保护，Gd以Mg-Gd中间合金的形式加入，浇铸成Φ30mm的圆棒。将铸锭经520℃、10h的固溶处理，再将合金在一定的挤压工艺下进行挤压：挤压温度350℃～370℃，挤压比16：1，后经200℃、1～100h的时效处理。采用光学显微镜观察合金显微组织；用402MVDTM数显显微维氏硬度计测量显微硬度；采用拉伸试验机进行拉伸性能测试。

表1 Mg-Gd-Y系镁合金名义成分Tab.1 Compositions of Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys

2 实验结果及分析

2.1 Y对Mg-6Gd-xY合金挤压态显微组织的影响

图1为Mg-Gd-Y系镁合金挤压态显微组织。从图中可以看出，随Y含量的增加，合金晶粒越细小，1#合金晶粒尺寸约15μm，2#合金晶粒尺寸约10μm，3#合金晶粒尺寸约5μm。根据Mg-Y相图可知，Mg-Y的固溶线温度随着Y含量的增大而升高。合金的再结晶温度主要受固溶线温度和形变量影响，当形变量一定的时候，固溶线温度越高的材料再结晶温度越高。Mg-5Y比Mg-4Y、Mg-3Y的固溶温度高30～80℃，因此Y含量越高，变形温度与再结晶温度之间的差距就越小，相当于低温下挤压。挤压温度越低，材料的动态再结晶晶粒越细，由铸锭经过挤压变形合金的晶粒明显细化。

试样经过均匀化处理后挤压变形的合金组织中大量共晶于α-Mg固溶体的第二相随着合金中Y含量的增加而显著减少。Y含量越高，过饱和固溶程度越大；固溶到基体中的第二相数量越多。从图1（c）可以看出合金组织中几乎看不到有第二相的存在，合金晶粒内部未溶解的镁与稀土的化合物几乎都溶入α-Mg固溶体，并且经过挤压变形后，晶界不太明显，合金的晶粒晶界结合都比较紧密。

图1 Mg-Gd-Y系镁合金挤压态显微组织Fig.1 Microstructure of extruded Mg-Gd-Y magnesium alloy

图2为Mg-Gd-Y系合金在200℃时效70h的显微组织。合金在时效T5态下显微组织均为细小的α-Mg等轴晶组织。相比图1中挤压态组织，晶粒有所增大。随Y含量增加，合金的晶粒尺寸变化较小，晶粒细化程度减弱。由于随着Y含量的增加，在挤压过程中Y固溶在α-Mg基体中，所引起的点阵畸变不大，合金发生变形时产生的抗力不大，储存的能量较低，发生再结晶的驱动力较小，所得的晶粒尺寸变化较小。经过T5处理的2#合金组织中有大量的析出相以弥散的形式分布于α-Mg基体上(如图4所示)。

图2 Mg-Gd-Y系合金在200℃时效70h的光学金相组织Fig.2 Microstructure of Aging treatment of extruded Mg-Gd-Y magnesium alloy at 225℃/80h

2.2 Y对挤压Mg-6Gd-xY合金显微硬度的影响

图3为1#、2#、3#合金在200℃的时效硬化曲线。从图中可以看出，随着含Y量的增大，合金在不同时效时间的硬度逐渐增大。3#合金比1#合金时效峰值的显微硬度高20HV。随着含Y量的增大，出现时效峰值的时间有所提前。3#合金比1#合金时效峰值的时间提前35h。对于从时效峰值到过时效硬度降低这一过程，高Y含量的合金要比含Y量低的进行得缓慢。

由于合金的时效硬化是通过从α-Mg固溶体中析出细小的析出物而产生的，随着Y量越大，合金中固溶体的过饱和程度越高，析出的第二相颗粒就越多，使得合金的时效硬度上升。也正是由于Y含量高的合金的过饱和程度较高，所以从固溶体中析出便发生得较快，在较短的时效时间内就达到强度和硬度的最大值，使得发生时效硬化转变的过程要比含Y量低的合金早。

2.3 Y对挤压Mg-6Gd-xY合金室温拉伸性能的影响

图3 合金在200℃的时效硬化曲线Fig.3 Hardness-time curve of the Mg-Gd-Y alloys at 200℃

表2为Mg-Gd-Y合金的室温拉伸性能。从表2看出，随着Y含量的增加，合金的抗拉强度、延伸率明显下降。由于Y含量的增加，在时效过程中晶粒尺寸有所增大（如图2所示），使得抗拉强度、延伸率有所下降。表明低Y含量的合金的变形能力要强与高Y含量的合金。

经过200℃、70h时效后合金的抗拉强度比未时效合金的抗拉强度提高34～81 MPa，表明时效处理可显著增强合金的抗拉强度。由于在时效过程中析出增强相Mg(Gd,Y)相所致（如图4所示）。

表2 Mg-Gd-Y合金的室温拉伸性能Tab.2 Tensile properties of Mg-Gd-Y alloy at room temperature

图4 1#合金在200℃时效70h的TEM显微组织Fig.4 TEM micrographs of the 1#alloys at 200℃/70h

3 结论

3.1 Y对挤压Mg-Gd-Y系镁合金具有晶粒细化作用，但效果不明显。

3.2 随Y含量增大，合金显微硬度值有所增加，时效峰值时间提前35h。

3.3 热挤压变形后的时效处理显著提高合金的室温抗拉强度。

3.4 随Y含量增大，抗拉强度、延伸率有所下降。

［1］J.P.Li,Z.Yang,T.Liu,et al.Microstructures of Extruded Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr and Mg-12Gd-4Y-1Zn-0.5Zr Alloys[J].Scripta Materialia,2007,56:137-140.

［2］S.M.He,X.Q.Zeng,L.M.Peng,et al.Microstructure and Strengthening Mechanism of High Strength Mg-10Gd-2Y-0.5Zr Alloy[J].Alloys and Compounds,2006.

［3］李媛媛，计海涛，申健,等.热挤压镁合金AZ91的微观组织及其力学行为[J].沈阳工业大学学报，2005，27（2）：151-153.

［4］Q.M.Peng,Y.M.Wu,D.Q.Fang,et al.Microstructures and Properties of Mg-7Gd Alloy Containing Y[J].Alloys and Compounds,2006.

［5］刘宏伟，罗承萍，刘江文.钇及混合稀土对镁铝锌合金组织与性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2003（5）：13-15.

［6］Q.D.Wang,Y.Z.Lu,X.Q.Zeng,et al.Effects of RE on microstructure and properties of AZ91magnesium alloy[J].TransNonferrousMetSocChina,2000,4(10):235-239.

［7］L.L.Rokhlin.Magnesium Alloys Containing Rare Earth Metals[M].Taylor and Francis,2003,83.