时效温度对含准晶相Mg93Zn6Y1合金的组织及性能影响*

万迪庆，利助民，叶舒婷

(华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013)



时效温度对含准晶相Mg93Zn6Y1合金的组织及性能影响*

万迪庆，利助民，叶舒婷

(华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013)

摘要：采用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射及能谱分析，研究了铸态、固溶处理及在不同温度下时效处理的Mg93Zn6Y1合金的显微组织。发现铸态Mg93Zn6Y1合金显微组织主要由α-Mg和I相组成。经过固溶处理后，晶界处准晶相发生熔断，由铸态下的连续网状结构变为颗粒状。在不同的时效温度下，晶界处颗粒状准晶相长大且α-Mg晶内出现颗粒状准晶相。随着时效温度的升高，颗粒状准晶相发生长大，逐渐变为多边形状或鱼骨状。时效温度为300 ℃时，合金中准晶相大部分以颗粒状均匀分布在基体上。通过硬度及耐腐蚀性能测试，发现时效处理可大幅提高合金的硬度及耐腐蚀性能。其中，时效温度为300 ℃时效果最佳。

关键词：Mg93Zn6Y1；准晶相；时效；硬度；耐腐蚀性能

0引言

镁合金具有密度低、比强度、比刚度高、减振性能好等系列优点，被誉为“21世纪最具有发展前景的材料”。可广泛应用于航空航天，轨道交通等领域[1-2]。镁合金为密排六方结构，独立的滑移系数目较少，且基面滑移系上的临界分切应力远小于非基面滑移系上的临界分切应力，导致镁合金的综合力学性能差[3-4]；另外，镁合金极易钝化，但是镁的氧化膜一般疏松多孔，导致其耐腐蚀性能较差，上述两方面大大制约了镁合金的应用。大量研究表明稀土元素可以较大程度地提高镁合金的力学性能，其中Mg-Zn-Y合金系因其组织中可形成准晶相而成为研究热点。

准晶相首次由Shechtman在急冷快速凝固的Al-Mn合金中发现。该相的原子排列结构独特，具有2，3和5次旋转对称轴；同时准晶相具有高的硬度，低的摩擦系数以及优良的物理性能[5-6]。1993年，罗治平等在Mg93Zn6Y1合金中发现了准晶相[7]；准晶相硬度高，与α-Mg相形成的界面稳定，界面能大，可作为韧性基体材料的强化相[8]。准晶相的尺寸、数量及分布状态将影响Mg93Zn6Y1合金的显微组织以及力学性能。如果能使得细小的准晶相在镁基体上均匀分布则可大幅度提高镁合金的综合力学性能。因此，改变准晶相在基体上的分布状态成为了学术界研究的热点。固溶时效处理是一种常见的热处理方法，可较好地改善合金的显微组织和提高合金综合性能；近期，Kim等发现固溶温度在350～420 ℃时，Mg-Zn-Y合金中微小的多边形准晶相颗粒会从α-Mg基体中析出[9]。MaRong等通过对含准晶相Mg-Zn-Y-Zr合金进行等温热处理，发现力学性能得到明显提高[10]。因此通过对Mg93Zn6Y1合金进行固溶时效处理，可以改变Mg93Zn6Y1合金中准晶相的尺寸、数量、分布状态；从而提高合金的力学性能。

本文研究了不同时效温度下准晶相形态、数量、分布的改变，以及其对合金硬度、耐腐蚀性能的影响。

1实验

采用原材料为纯Mg(99.95%)，纯Zn(99.95%)，Mg-Y(Y：25%)中间合金。采用传统的铸造工艺，在井式电阻炉中进行熔炼，熔炼过程中采用六氯乙烷对合金进行除杂、精炼；700 ℃条件下将熔融状态下的合金浇入金属模空冷制得Mg93Zn6Y1合金。从制得的Mg93Zn6Y1合金取得3组试样，同时在430 ℃下进行固溶处理9h。随后将固溶处理后的3组试样分别在250，300，350 ℃的温度条件下进行时效处理12h。显微组织分析分别在COOLPIX-450光学显微镜和JSM-6360LA型电子显微镜上进行观察，并利用XRD确定其物相组成。并且对经过时效处理的3组试样进行硬度测试，以及耐腐蚀性能测试。

2结果与讨论

2.1铸态及经过固溶时效处理后Mg93Zn6Y1合金的显微组织分析

2.1.1铸态Mg93Zn6Y1合金的显微组织分析

图1为铸态Mg93Zn6Y1合金的SEM图。从图1可看出，铸态Mg93Zn6Y1合金的显微组织主要由基体相和晶界处的第二相组成，晶界处的第二相主要是片层状的共晶组织。

图1　铸态Mg93Zn6Y1合金的SEM图

结合表1的EDS分析以及图2铸态Mg93Zn6Y1合金的XRD分析，发现铸态Mg93Zn6Y1合金的显微组织主要由枝晶状α-Mg和I相(Mg3Zn6Y1)组成。关于铸态Mg93Zn6Y1合金中准晶相的形成过程仍处于争议中。

表1　铸态Mg93Zn6Y1合金的能谱分析

图2　铸态Mg93Zn6Y的X射线衍射谱

Fig2X-raydiffractionpatternofas-castMg-Zn-Yalloy

一些研究学者认为准晶相主要是通过包晶反应形成：液态Mg93Zn6Y1合金在凝固过程中首先从液相处生成(Zn,Mg)5Y相，再发生包晶反应L+(Zn,Mg)5YI。也有学者认为I相是通过共晶反应生成的[11-12]。

准晶相的生成符合经典形核理论，其晶核的形成需要克服临界形核功[13]；合金冷却速率慢时，固液界面能减小，更有利于准晶相晶核的形成。Mg93Zn6Y1合金中Zn，Y原子几乎不溶于基体中，在凝固过程中首先生成枝晶状α-Mg，Zn，Y原子被排挤到晶界处。Zn，Y原子在晶界处富集为准晶相的长大提供了成分条件。

2.1.2固溶时效处理后Mg93Zn6Y1合金的显微组织分析

固溶处理后Mg93Zn6Y1合金的显微组织如图3(a)所示；Mg93Zn6Y1合金经过430 ℃下固溶处理9h后，枝晶晶界处的准晶相发生熔断，由铸态下的连续网状结构变为颗粒状。图3(b)-(g)为Mg93Zn6Y1合金在不同温度下时效处理后的SEM图。从图中发现Mg93Zn6Y1合金经过250 ℃时效处理12h后，晶界处颗粒状准晶相逐渐长大，变为鱼骨状；晶内出现颗粒状相，初步认为是准晶相。

该颗粒状准晶相是否是从晶内直接析出需要进一步深入研究。在300 ℃时效处理12h后，晶界处第二相从颗粒状基本变为连续状，晶内准晶相增多，值得注意的是晶内颗粒状准晶相长大，少数准晶相变为多边形形状。350 ℃时效处理12h后，Mg93Zn6Y1合金显微组织中的晶界处第二相形状多为鱼骨状，同时晶内的准晶相长大，其形状变为棒状或鱼骨状。准晶相为耐高温相，在时效处理的条件下，准晶相易发生长大。晶界处Zn，Y原子富集，晶界处的准晶相较晶内更易发生长大。随着时效温度升高，过饱和固溶体中原子扩散速率加快，为晶内准晶相的长大提供了成分条件[13]。表2为固溶时效处理后Mg93Zn6Y1合金的EDS分析，发现SEM图中准晶相位置处，Y元素含量较高；因此可认为准晶相在富钇区更易形核，长大。

2.2固溶时效处理对Mg93Zn6Y1合金性能影响

2.2.1固溶时效处理对Mg93Zn6Y1合金硬度的影响

图4为Mg93Zn6Y1合金经过固溶时效处理后硬度值；从图4看出Mg93Zn6Y1合金经过时效处理后硬度明显提高。当时效温度为300 ℃时，硬度达到最大值，较固溶态增长了38.2%。准晶相优越的物理化学性能使其成为基体中较好的强化相，可以很好地提高合金的力学性能。Mg93Zn6Y1合金在300 ℃时效处理12h后硬度达到最大值，与合金显微组织中准晶相的分布、数量、尺寸有关。Mg93Zn6Y1合金在300 ℃下时效处理12h后，合金显微组织中的准晶相在基体上弥散分布，且多为颗粒状，可很好地阻碍可动位错的运动，导致位错交割，相互缠结，同时新的位错源不断增殖，使得位错密度提高，从而使得合金的硬度提高[14]。

图3　固溶时效处理后Mg93Zn6Y1合金SEM图

Table2EDSofMg93Zn6Y1alloyaftersolidsolutiontreatmentoragingtreatment

元素MgZnY(a)430℃下固溶9h01501601701829.9690.6628.4228.8863.196.7163.5863.586.852.637.997.54(c)250℃下时效12h00100200300473.7280.8088.9365.1722.8016.9210.3630.563.482.280.714.27(e)300℃下时效12h00100200300432.5232.0333.0272.2661.9259.5160.2023.595.568.466.784.15(g)350℃下时效12h00100200300455.2169.2684.0251.7138.5527.405.4046.246.243.3410.582.05

图4　固溶时效处理后Mg93Zn6Y1合金的硬度值

Fig4ThehardnessofMg93Zn6Y1alloyaftersolidsolutiontreatmentoragingtreatment

2.2.2固溶时效处理对Mg93Zn6Y1合金耐腐蚀性能的影响

图5为铸态及固溶时效处理后Mg93Zn6Y1合金的时间-腐蚀速率曲线，从曲线中看出时效处理后，合金的耐腐蚀性能明显提高。Mg93Zn6Y1合金经过300 ℃时效处理12h后，耐腐蚀性能最好。镁合金的耐蚀性能主要与合金显微组织等因素有关[15]。Mg93Zn6Y1合金经过固溶处理后，准晶相部分固溶到基体中，合金耐腐蚀性能有所降低。随后在时效处理过程中，α-Mg晶内出现颗粒状准晶相且晶界处准晶相长大，合金中准晶相的体积分数明显升高，从而合金耐腐蚀性能提高。另一方面，Mg93Zn6Y1合金合金经过300 ℃时效处理12h后，基体上的准晶相多为颗粒状，均匀分布，耐腐蚀性能得到明显提高。因此Mg93Zn6Y1合金耐腐蚀性能与准晶相的尺寸、数量及分布关系密切。

图5铸态及固溶时效处理后Mg93Zn6Y1合金的时间-腐蚀速率曲线

Fig5Corrosionrate-timecurveofas-cast,solidsolutionandagingtreatedMg93Zn6Y1alloys

3结论

(1)Mg93Zn6Y1合金在时效处理过程中，α-Mg晶内出现颗粒状准晶相。随着时效温度的升高，晶界处及晶内的颗粒状准晶相发生长大，逐渐变为多边形状、棒状或鱼骨状；准晶相多在富钇区形核长大。时效温度为300 ℃时，合金中准晶相大部分以颗粒状的方式均匀分布。

(2)Mg93Zn6Y1合金经过时效处理后，准晶相在基体上的分布状态发生改变。硬度及耐腐蚀性能明显升高，其中300 ℃时效处理12h后，性能达到最佳。

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EffectsofagingtemperatureonmicrostructureandmechanicalpropertiesofMg93Zn6Y1withIphase

WANDiqing，LIZhumin,YEShuting

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Abstract:Themethodsofopticalmicroscope,scanningelectronmicroscope,X-rayandspectroscopyanalyzerwereappliedtostudythemicrostructureofas-cast,solidsolutiontreated,agingMg93Zn6Y1alloyTheresultsshowthatthemicrostructureofas-castMg93Zn6Y1consistsofα-Mgphaseandquasicrystalphase.Aftersolidsolutiontreatment,quasicrystalphasewasfusedandturnintoparticlefromcontinuousnetworkstructure.Afteraging,quasicrystalparticleprecipitatedinthegrainboundaryandquasicrystalparticleappearedintheα-Mggrain.Withagingtemperatureelevated,quasicrystalparticlegrownintheα-Mggrain,graduallybecomefishbone-likeormultilateralshape.Whentheagingtemperaturewas300 ℃,mostofquasicrystalphaseparticleuniformlydistributeinthematrix.Throughthemeasurementofhardnessandanti-corrosion,itwasfoundthatthehardnessandanti-corrosionperformancerisedthroughagingtreatment.Whentheagingtemperaturewas300 ℃,theeffectwasbest.

Keywords:Mg93Zn6Y1;quasicrystalphase;aging;hardness;corrosionresistance

文章编号：1001-9731(2016)06-06142-04

* 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51361010)

作者简介：万迪庆(1981-)，男，南昌人，博士，师承杨根仓教授，从事高强高阻尼镁合金研究。

中图分类号：TB31

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.025

收到初稿日期：2015-06-15 收到修改稿日期：2015-09-26 通讯作者：万迪庆，E-mail:divadwan@tom.com