热处理对Y变质Mg-7Al合金组织及力学性能的影响

杨建东

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)



热处理对Y变质Mg-7Al合金组织及力学性能的影响

杨建东

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)

摘要：通过对Y变质后的Mg-7Al合金进行固溶和时效处理，研究热处理对Y变质后合金组织及力学性能的影响，结果表明，固溶和时效对高熔点的Al2Y相均无明显影响。而时效处理后β-Mg17Al12相以层片状和点状共存的方式再次析出，改善了其原本粗大的网状形貌，且随时效温度升高，层片状β-Mg17Al12相数量减少，而点状析出量增多，因此，时效后合金力学性能得到提高。

关键词：热处理，镁合金，Y变质，β-Mg17Al12相，力学性能

镁合金作为最轻的金属结构材料[1]，具有比强度、比刚度高，抗震减震能力和电磁屏蔽效果佳，易加工成形和回收利用等优点[2-3]，高比强度、比刚度使得镁合金应用于汽车行业可提高燃油率、降低CO2排放[4]，另外，镁合金可被应用于航空航天、汽车、电子等工业领域[5]，表现出巨大的应用潜力。虽然镁合金得到一定程度的应用，但其应用广泛性仍远不如铝合金，其原因主要是镁合金还存在着绝对强度低等缺点[6-7]。研究表明Mg-Al合金铸态组织中存在共晶β-Mg17Al12相，可显著影响镁合金的力学性能[8-9]。稀土元素微合金化和通过热处理进行组织优化是提高镁合金力学性能的有效途径[10]。固溶处理可以使镁合金中的β溶解在基体中，形成饱和的α相固溶体，从而对镁合金产生一定强化作用，另外时效处理也是改善镁合金性能的主要强化手段，时效过程中析出的弥散β-Mg17Al12相分布的状态和形状会对合金的组织及力学性能有很大影响，所以固溶和时效处理对于镁合金的研究有着很重要的意义。

1实验材料及方法

Mg和Al以纯金属锭形式加入，Y以Mg-30%Y中间合金形式加入。原材料经打磨去除表面污物后，按93∶7的质量称量后放入到坩埚中熔化，在720℃浇注出Y含量分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%(质量分数)镁合金试样。对Mg-7Al合金进行400℃×8h的固溶处理，并用冷水冷却。随后分别进行200℃×6h和250℃×6h的时效处理，并随炉冷却。采用Nikon Epiphot光学显微镜和JSM-6700F扫描电镜观察合金显微组织，并用扫描电镜附带的OXFORD INCA能谱仪进行成分分析，采用XRD-7000S型X射线衍射仪进行物相分析。在HT-2042计算伺服控制材料试验机上对其拉伸力学性能进行测量。

2实验结果与分析

2.1固溶处理对Mg-7Al合金微观组织的影响

图1所示为金属型Mg-7Al合金400℃×8h固溶处理后水冷的显微组织，其中左列为固溶组织，右列为固溶后晶界腐蚀的组织。由图可见，经过8h的固溶处理，枝晶偏析现象基本得到消除，与铸态组织相比，原本由于非平衡凝固存在于晶界的离异共晶β-Mg17Al12相几乎完全溶解，而通过扩散未完全固溶进入α-Mg基体晶格的小部分Al元素以细小颗粒状的β-Mg17Al12相形式均匀弥散分布在基体和晶界处，且加入Y的Mg-7Al合金固溶后β-Mg17Al12相减少且分布更均匀。

(a)、(a′)：Mg-7Al；(b)、(b′)：Mg-7Al-0.1Y；(c)、(c′)：Mg-7Al-0.3Y；(d)、(d′)：Mg-7Al-0.5Y；(e)、(e′)：Mg-7Al-0.7Y；(f)、(f ′)： Mg-7Al-0.9Y

为了鉴别图1中黑色点状颗粒及块状的物相，对固溶后的Mg-7Al-0.5Y合金试样进行扫描分析，结果如图2所示，表1为图2中白色颗粒a、b的能谱分析。

图2中的白色颗粒对应图1(d)中的黑色颗粒。由所列数据可以判断，图2中呈大块状的亮白色颗粒应为Al2Y相，而点状的暗白色小颗粒为小部分未溶入和水冷过程中再次析出的β-Mg17Al12相。文献表明[11]，Al2Y相熔点为1400℃，本次试验固溶处理温度远远低于该相的分解温度，因此固溶处理对Al2Y相无明显影响。

图2　400℃×8h固溶处理后Mg-7Al-0.5Y合金SEM照片

ElementsPointsabMg54.18—Al45.8241.23Y—58.77Total100.00100.00

图3为铸态与固溶态Mg-7Al-0.5Y合金的XRD分析结果，分别对其基体组织做能谱分析，结果如表2所示。从XRD图谱分析结果可以看出，固溶态Mg-7Al-0.5Y合金XRD图谱中没有β-Mg17Al12相的衍射峰，此结果与图1(d)所示的金相组织分析结果一致；而由表2可见，Mg-7Al-0.5Y合金基体中的Al含量由铸态时的4.50%升至固溶处理后的7.20%，基本上形成了过饱和固溶体。

图3　Mg-7Al-0.5Y合金铸态和固溶处理态的衍射图谱对比

元素铸态400℃×8h固溶Mg95.5092.80Al4.507.20总和100.00100.00

对固溶水淬后的Mg-7Al-0.5Y合金进行面扫描分析，结果如图4所示。图4(a)为Mg-7Al-0.5Y合金的高倍扫描照片，图4(b)为图4(a)视场下的Al元素的面扫描分布图，可以看出，经过固溶处理后，β-Mg17Al12相分解出的Al元素已比较均匀地扩散分布在α-Mg基体中。

(a)SEM照片；

(b)Al元素的面分布

2.2T6处理对Mg-7Al合金微观组织的影响

图5所示为Mg-7Al合金在400℃固溶8h水冷处理后，进行200℃/250℃、6h时效处理的显微组织照片。由图可见，经过时效处理，原本溶入α-Mg中的Al元素又重新以β-Mg17Al12相的形式析出，且形态各不相同，主要呈连续及不连续两种分布。在晶界处析出的β-Mg17Al12相呈层片状不连续分布，与基体有一定位相关系，而在晶内析出的β-Mg17Al12相则呈颗粒状连续分布。由图可见，250℃时效处理后的Mg-7Al合金不连续析出相数量比200℃时效处理后的少得多，而晶内连续析出相的数量却相对增多。

(a)Mg-7Al/200；(a′)Mg-7Al/250；(b)Mg-7Al-0.1Y/200；(b′)Mg-7Al-0.1Y/250；(c)Mg-7Al-0.3Y/200；(c′)Mg-7Al-0.3Y/250；(d)Mg-7Al-0.5Y/200；(d′)Mg-7Al-0.5Y/250；(e)Mg-7Al-0.7Y/200；(e′)Mg-7Al-0.7Y/250；(f)Mg-7Al-0.9Y/200；(f ′)Mg-7Al-0.9Y/250

Mg-7Al合金时效处理时，Al原子从过饱和的α-Mg基体中以β-Mg17Al12相的形式析出，使得α-Mg固溶体的饱和度降低。虽然该相会以两种方式析出，然而由于缺陷在晶界处比晶内多，使Al原子在该处扩散较容易，因此β-Mg17Al12相易在晶界处析出长大，故β-Mg17Al12相常常先在晶界处非连续析出，随着时效过程的延续，慢慢在晶内连续析出。有研究表明[12]：温度的变化显著地影响着β-Mg17Al12相的析出行为，β-Mg17Al12相在温度较高时为连续析出，而随着温度的降低，β-Mg17Al12相会产生不连续析出，且其形核和生长在时效温度较低(150℃)时均需要很长的时间才能完成。由此可知，不连续析出的β-Mg17Al12相会随着温度的降低而增多。

2.3热处理对Mg-7Al合金力学性能的影响

表3给出了4种状态下的变质Mg-7Al合金抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和延伸率δ的变化情况，由表3可知，在Y加入量相同时，固溶和时效处理后的Mg-7Al合金的抗拉强度和延伸率均高于铸态，而固溶后Mg-7Al合金的屈服强度相比铸态有所下降，但时效处理后的屈服强度有所提高。固溶和时效处理后的Mg-7Al合金，其各项力学性能指标均在0.5% Y处到达最大值，说明Y对Mg-7Al合金的变质效果并不受固溶和时效处理的影响。

表3　Mg-7Al合金的力学性能

在微观组织上，影响屈服强度的主要因素为β-Mg17Al12相的形态、数量及分布情况，在固溶处理时，原本网状的β-Mg17Al12相溶解进基体α-Mg中，使得其不能对位错运动起到阻碍作用，宏观表现为屈服强度低于铸态，而β-Mg17Al12相因呈脆硬状，故其的溶解又降低了对α-Mg基体的切割作用，使得塑性提高，增加了延伸率；而Al原子溶入基体，生成了过饱和α-Mg固溶体，固溶强化占主导，提高了合金的抗拉强度。时效处理时从过饱和的α-Mg基体中再次析出的β-Mg17Al12相形貌有了根本变化，相比于铸态的粗大网状形貌，时效处理后的β-Mg17Al12相在晶界处以层片状的形式非连续析出及在晶内以颗粒状的形式连续析出，且析出的尺寸与铸态时相比也要细小的多，分布也更均匀，有利于合金力学性能的提高，致使合金的抗拉强度和屈服强度有显著的提高。

3结论

(1)Mg-7Al合金在400℃×8h固溶处理后，β-Mg17Al12相几乎全部溶入α-Mg基体中，而高熔点的稀土化合物Al2Y相在试验温度下不能分解和固溶，所以前后未有变化。

(2)固溶后的时效处理使β-Mg17Al12相从过饱和α-Mg中以不连续和连续共存的方式再次析出，在合金晶界上析出的多呈不连续的层片状，在晶内析出的则多是连续的细小点状，且时效温度越高，层片状的β-Mg17Al12相析出量越少。变质剂Y有推迟和抑制合金时效过程的作用。

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中图分类号：TG 146.2

Effect of Heat Treatment on the Microstructures and Mechanical Properties of Y-modificated Mg-7Al Alloy

YANG Jian-dong

(Xi’an Vocational and Techincal College，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Abstract：In this paper，solid solution and aging treatment were carried out on Y-modificated Mg-7Al alloy，and the effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties were investigated. The results showed that solid solution and aging teratment had no significant effect on Al2Y phase with high melting point，while β-Mg17Al12phase precipitated again in the form of lamella and dot after aging treatment，improving its original bulky net-work morphology，and with the aging temperature increased，the number of lamella β-Mg17Al12phase decreased，while that of dot precipitation increased，therefore，the mechanical properties of the alloy were improved after aging treatment.

Key words：heat treatment，magnesium alloy，modifier Y，β-Mg17Al12phase，mechanical property