热处理对双相Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金组织与性能的影响

吴洪超，唐玲玲，赵永好

(南京理工大学材料科学与工程学院纳米结构材料中心，江苏 南京 210094)



热处理对双相Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金组织与性能的影响

吴洪超，唐玲玲，赵永好

(南京理工大学材料科学与工程学院纳米结构材料中心，江苏 南京 210094)

分别对原始态的双相Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金进行固溶及退火处理，通过光学显微镜、扫描电镜以及X射线衍射等方法研究合金在不同热处理状态下微观组织的变化，测定了合金硬度及拉伸性能并分析了断口。研究结果表明，经固溶处理后合金抗拉强度明显提高，由原来的194MPa提升到243MPa，延伸率由18%降至9%；而退火处理后其强度没有提升，塑性反而下降。此外，合金中两相组织与第二相分布具有明显差异，使得各相性能及其对热处理的反应不同。

热处理； 双相镁锂合金； 微观组织； 抗拉强度

1 引 言

镁锂合金是结构材料中最轻的合金，其密度在1.35～1.65g/cm3，比普通镁合金轻1/4～1/3，受到航空航天、3C、医疗等领域的青睐[1]。锂元素的加入可以改变镁合金的晶体结构，当锂元素的含量低于5.7wt.%时，其结构为hcp结构α单相；当锂含量高于10.3wt.%时，其结构为bcc结构β单相；当锂含量介于5.7wt.%～10.3wt.%时，其合金为α+β双相结构[2]。此外，锂元素的加入还降低了镁合金的c/a值[3]，使得镁合金中其他柱面以及锥面滑移系更加容易开动，这也使得镁锂合金的塑性变形能力得到显著提升。镁锂合金在工业应用中受限主要是由于强度普遍偏低，加工硬化能力弱，耐腐蚀性较差。镁锂合金的强化是目前研究的一个重点，而合金化是一种较为普遍的强化方式，本文采用的Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金就是加入了Al、Zn、La元素，通过细化晶粒以及固溶强化、第二相强化来使得合金的强度得到一定程度的提高[4-5]。除此之外，热挤压[6]、轧制[7]、等径角挤压[8-9]等方式也被用来改善镁锂合金的组织结构，提高其综合力学性能。

对于镁锂合金而言，不同的锂含量以及合金元素的加入对镁锂合金的结构性能具有极其重要的影响，合金含量的不同导致结构以及析出相变化，因此对其微观组织结构的研究具有重要意义。热处理又是在进行工业加工以及后续处理时必不可少的步骤，我们通过不同热处理方式得到不同的组织结构，进而得到组织结构与力学性能之间的关系，为后续加工处理提供一些有价值的参考。

2 实验过程

本实验使用原材料为Mg-8Li-4Al-3Zn-La镁锂合金，其实际成分经电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定，如表1所示。

表1 Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金实际成分

原始材料为气体保护熔炼铸造后经过轧制变形处理的板材，从原始板材上切取三份10mm×20mm×80mm板条样品，将其中两份分别置于BTF-1200X-80SL 贝意克管式炉中进行固溶处理及退火处理(高纯氮气保护)。固溶温度为400℃，为达到完全固溶状态，时间为12h，随后取出采用温水淬火。退火处理温度选择400℃，保温时间为12h，随炉冷却后取出样品。样品首先经过粗砂纸打磨去掉表层沉积杂质以及可能产生的氧化层，随后经过400#到1800#砂纸打磨，然后使用氧化镁悬浊液抛光，直至表面光亮无划痕。采用4%硝酸甲醇溶液浸蚀，至表面失去光泽变得灰暗，立即用酒精冲洗，随后用冷风吹干，在光学显微镜下进行显微组织观察。利用FEI Quanta 250F 扫描电子显微镜对其微观形貌以及第二相分布做进一步观察，并利用能谱仪对析出相成分进行鉴定，同时测定合金元素在相中的分布。采用Bruker D8 X射线衍射仪对合金的物相组成进行测定，扫描角度为20°～80°，扫描速度为4°/min。样品硬度使用HMV-G 21DT硬度仪进行测定，载荷选择980mN，保压10s。样品经打磨抛光后直接进行硬度测试，样品抛光后经进一步腐蚀处理以便分别测定两相硬度。合金拉伸性能使用W+B电子万用拉伸试验机测定，拉伸速率0.5mm/min，采用平板样，其尺寸如图1所示，试样拉断后在扫描电镜下观察其断口形貌。

图1 拉伸试样尺寸(单位 mm)Fig.1 Tensile sample size (mm)

3 实验结果与讨论

3.1 原始态镁锂合金的微观结构

从图2(a)中可以看到，Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金由白色的α相以及黑色的β相组成，在β相中存在团絮状物质和黑色颗粒状结构，α相晶粒较大，一般在100μm左右，在部分区域也有较小晶粒，约20μm；从图3中看出β相晶粒尺寸约为20μm。从图2(b)可以看出，沿着轧制方向两相均被拉长。从图3中看出，α相较为光滑，有较少的颗粒状析出，条状以及大块状析出主要集中在相界、晶界处，β相内有较多细小析出相弥散分布，其中也有部分块状析出，这就是在β相光学显微图中看到的团絮结构。

图2 原始态合金显微组织图 (a) 轧制面; (b) 纵截面Fig.2 Microstructure of original Mg-8Li-4Al-3Zn-La alloy(a) rolled plane; (b) longitudinal section

图3 原始态合金轧制面扫描图像Fig.3 Original alloy SEM image of rolled plane

如图4所示，通过XRD分析可以发现，Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金中除了主要的两相α和β外，由于加入了合金元素Al、Zn、La，还形成了三种析出相：MgAlLi2、AlLi、Al2La，为进一步确认各种析出相的形态及分布，进一步做了EDS分析。如图5所示，通过EDS分析我们发现分布在相界面处的大块状(谱图8)以及条状(谱图7)析出物为Al2La相。由于EDS无法检测到Li元素，结合XRD结果与EDS分析，判断弥散分布在β相内的小颗粒为MgAlLi2相(谱图11)，而β相内的一些大块状析出物为AlLi相(谱图9)，Zn元素主要是以固溶态分布在两相之中。

图4 原始态合金XRD图谱Fig.4 XRD pattern of original alloy

图5 析出相成分分析图 Fig.5 Composition of the precipitates

图6 (a) 退火态合金SEM图像; (b) 固溶态合金SEM图像Fig.6 (a)SEM image of annealed alloy; (b) SEM image of solid-solutioned alloy

3.2 热处理后镁锂合金的微观结构

图6(a)是退火处理后镁锂合金的微观结构图，从图中可以看出，β相中的细小颗粒消失，随之出现的是较多的大块状析出物。如图7，通过与原始态XRD对比发现，经过退火处理后，MgAlLi2相的峰明显减弱，几乎不再出现，但是AlLi相的峰明显增强，这说明，在退火处理时发生了MgAlLi2向AlLi相的转变，β相中出现的大块状析出即为AlLi相。退火温度高达400℃，首先Al、Zn等元素会固溶进入基体，在随后的炉冷过程中又重新析出，但是这是个热相变过程， MgAlLi2相是一种不稳定相，在温度高于70℃左右就会变为稳定的AlLi相[10]，因此在整个退火过程中，析出的是AlLi相。

图7 合金三种不同状态的XRD对比图谱Fig.7 XRD patterns of three different conditions

图6(b)为固溶态合金的微观结构，从图中可以看出，除了α与β相外，只在相界与β相内存在少量块状析出，通过XRD分析发现，固溶后MgAlLi2及AlLi相全部固溶到基体中[10]，剩下的只有Al2La相。这是由于Al2La相的熔点高达1405℃，因此400℃下Al2La相较难溶入基体，EDS分析同样证实了残余下来的析出物为Al2La，如图8所示。从图9可以看出，除了相内部发生变化之外，原本合金纵截面被拉长的结构也基本成为等轴状，这说明，在400℃长时间热处理后，镁锂合金的变形组织得到了有效的回复。

图9 固溶态合金的微观形貌图 (a) 轧制面; (b) 纵截面Fig.9 Microstructure of solid solution alloy (a) rolled plane;(b) longitudinal section

3.3 热处理后合金的力学性能

图10显示的硬度是在不区分α与β相的情况下的测定值，从图中可以看出，经过固溶处理后其硬度明显提升，由64HV提高到78HV，而退火态合金硬度没有明显变化。这是由于在固溶处理后，合金元素大量溶入基体，产生固溶强化效果，而退火态合金并没有产生显著的溶质原子溶入基体。图11为分别测定固溶态与原始态α和β相的硬度值，从图中可以看出，原始态合金的α相硬度比β相硬度高，这是因为β相为Li的固溶体，本身较镁基体软一些，虽然里面弥散分布第二相，但是其硬度依然低于α相。固溶之后β相硬度显著提高，并超过α相的硬度。这是由于在固溶前α相中就很少有第二相分布，但是β相中有大量第二相，固溶之后β相中的第二相大量固溶导致其硬度显著提高。

图10 三种状态合金的硬度Fig.10 Hardness of the alloys in three conditions

图11 原始态与固溶态中两相的硬度Fig.11 Hardness of α and β phase in original and solid solution condition

图12 合金三种状态下工程应变曲线Fig.12 Tensile engineering stress-strain curve of alloys in three conditions

图12给出了合金三种状态的拉伸曲线，固溶后其抗拉强度由194MPa提升到243MPa，但是延伸率由原来的18%减小到9%，而退火态的抗拉强度与原始态接近，但是其延伸率下降到10%左右。固溶处理后，由于强烈的固溶强化，使得晶格产生较大的畸变，位错在滑移过程中受到更大的阻碍，使得其屈服强度显著提高，同时也伴随着延伸率的下降。退火处理后没有产生强化效果，但是对于第二相的分布产生较大影响，使得之前弥散分布的状态变得集中，第二相由细小的MgAlLi2相变成大块的AlLi相[10]，更容易在析出相界面产生应力集中，导致裂纹的产生，这使得合金延伸率大大降低。

3.4 镁锂合金的断口分析

图13给出了三种状态下合金的断口形貌。每种合金的断口均由两种不同断裂方式组成，分别对应其α相与β相。原始态合金断口由较深韧窝以及解理特征区域构成，固溶后其韧窝变小，并出现一些解理平台；退火之后的样品断口除了看到一些解理面之外，还看到较大的剪切面，这是由于在应力较大情况下导致的β相剪切的产生。

图13 三种状态合金的断口形貌 (a)原始态;(b)固溶态; (c)退火态Fig.13 Fractographs of the alloys (a)original; (b)solid solution; (c)anneal

4 结 论

1. Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金由α-Mg相、β-Li相、MgAlLi2相、AlLi相、Al2La相组成，其中MgAlLi2相、AlLi相、Al2La相均为较小析出相，主要分布在晶界、相界以及β相内；

2. 经过12小时400℃热处理后，经初始轧制的拉长相回复到等轴态；

3. 固溶处理后β相中第二相固溶到基体中，使得β相硬度显著提高；固溶处理后合金强度提升至243MPa，断裂延伸率下降至9%；

4.退火处理后合金强度略微下降，延伸率降至10%左右，这是由于在退火过程中，其析出相发生变化，原来的强化相MgAlLi2相转变为AlLi相，并在相界附近生成大块析出，导致延伸率降低。

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Effects of Thermal Treatment on the Microstructures and Mechanical Properties of Mg-8Li-4Al-3Zn-La Alloy

WU Hongchao， TANG Lingling， ZHAO Yonghao

(Nano Structural Materials Center, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The dual-phase alloy Mg-8Li-4Al-3Zn-La was subject to homogenization and aging treatments. The microstructures and phase were characterized by optical microscope, scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The hardness and tensile properties as well as fracture characteristics of the alloys were also measured and analyzed. The results show that the tensile strength is increased from 194 MPa to 243 MPa after solid solution treatment, and the elongation to failure decreases from 18% to 9%. After aging, the tensile strength changes slightly, but the elongation to failure decreases greatly. Moreover, the mechanical properties of individual phase have distinct differences due to the different distribution of second phases in the alloy.

heat-treatment； dual-phase Mg-Li alloy； microstructure； tensile strength

1673-2812(2017)02-0190-05

2015-11-17；

2016-02-29

国家重大基础科学研究资助项目(2012CB932203)，杰出青年科学基金资助项目(51225102)

吴洪超(1991-)男，硕士，主要从事镁锂合金微观结构与力学性能研究。E-mail：hcwu5315@163.com。

赵永好(1971-)男，博导，教授，主要从事块体纳米金属材料的制备及其力学性能、变形机理、结构表征、相变规律和热稳定性研究。E-mail：yhzhao@mail.njust.edu.cn。

TG146.2+2

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.005