Al对含有长周期有序堆垛结构Mg-Zn-Y-Mn合金组织和性能的影响

潘龙伟，张佳欣，宗喜梅，柳伟，张金山

（太原理工大学，山西太原 030024）

Al对含有长周期有序堆垛结构Mg-Zn-Y-Mn合金组织和性能的影响

潘龙伟，张佳欣，宗喜梅，柳伟，张金山

（太原理工大学，山西太原 030024）

采用常规铸造方法制备了Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx(x=0,0.3,0.4,0.5）(a%)合金。利用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和电子万能试验机等对合金的铸态显微组织及力学性能进行了全面的分析。结果显示随着Al含量的增加，晶粒逐渐细化，在镁基体形成了一种新的Al(Y,Zn)2相，而长周期相随着新相的增加逐渐减少，导致合金的力学性能得到显著提高。当添加0.4 a%的Al时合金的抗拉强度达到最大值260 MPa,同时伸长率达到5.4%，与Mg94Zn2.5Y2.5Mn1相比分别提高了36%和12.5。随着Al含量进一步增加，长周期相消失，性能恶化。

长周期镁合金；基体原位自生强化相；微观组织；力学性能

0 引言

镁合金作为最轻的结构材料，具有密度低，比强度和比刚度高等优点，因而有希望用于交通运输领域提高能源利用效率，然而因为其强度低塑性差限制了镁合金的广泛应用[1,2]。

近年来，长周期有序堆垛结构Mg-Zn-RE合金因为其独特的结构和优良的性能受到了广泛的关注。许多学者尝试通过改变成分（RE/Zn原子比）去控制第二相的形态和体积分数来提高合金的力学性能。以Mg-Zn-Y合金为例，根据Zn/Y原子的不同，会出现三种不同的三元共晶相：W相（Mg3Zn3Y2）、I相（Mg3Zn6Y）、X相（Mg12YZn），其中I相和X相是位于晶界上的强化相。通过调节I/W或X/W体积分数比及各相形态，合金的性能得到了改善[4]。还有一些学者通过晶粒细化元素如Mn、 Zr、Ca、Sr、Ti起到细晶强化作用[5,6]。

迄今为止，关于铸态Mg-Zn-Y系合金中对基体利用原位自生析出强化相的报道比较少。Tan X H等[7,8]在Mg-Zn-Y合金中加入Al元素在基体中生成了一种Mg-Zn-Y-Al四元化合物，提高了合金的抗腐蚀能力，但是这些研究都没有涉及其对合金力学性能的影响。本文对此作了系统的研究，发现了一种新的Al(Y,Zn)2三元强化相,该相对合金的组织和性能有显著的影响。

1 实验过程

合金熔炼选用的原材料为纯Mg(99.99 w%)、纯Y(99.99 w%)、纯Zn(99.99 w%)、纯Mn(99.99 w%)和纯Al(99.99 w%)。合金设计成分为Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx(x=0,0.3,0.4,0.5）(a%)，分别标记为A,B,C,D。合金采用常规铸造方法制备，熔炼在坩埚电阻炉中进行，熔炼保护气体为氩气，熔炼温度为750 ℃，保温20 min浇入提前预热到200 ℃的金属铸型中凝固成试验用铸锭。

合金的物相成分分析采用Y-2000型X射线衍射仪，选用靶材为Cu靶，扫描速度0.02(°)／s，扫描范围为20 °~80 °。不同合金相的组织和成分采用莱卡DM2500型OM和TESCAN-MIRA3型SEM观察，采用SEM配备的OXFORD型EDS对合金相成分进行测定。

布氏硬度的测量使用HB-300测试机，加载载荷为62.5 MPa，时间为15 s。维氏硬度的测量使用HVS-1000A，加载载荷为1 000 g，时间为15 s。拉伸试验在DNSl00型电子万能试验机上进行，拉伸速度为0.2 mm/min。

2 结果及讨论

2.1 合金微观组织分析

图1是铸态合金A、B、C、D的金相照片。可以看出随着Al含量的增加，颗粒体积分数也逐渐增加晶粒逐渐细化，基体中的Al(Y,Zn)2由弥散分布的颗粒状相（图1.b）逐渐变为短杆状（图1.c）最后变为块状（图1.d）。与此同时晶界上的18R-LPSO相逐渐变得细小且体积分数逐渐减少直至消失。

图1 铸态合金Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx的金相照片

图2 是铸态合金A,B,C,D的XRD图谱，结果显示四组合金都含有α-Mg 、W相和X相，添加合金元素Al以后出现了一种新的衍射峰， 随着Al含量的增加，X相的衍射峰逐渐减弱。

图3为合金C的扫描图及能谱。结果表明灰色条状相为X相（Mg12YZn，18R-LPSO），连续网状的黑色相为W相(Mg3Zn3Y2)，这些都与XRD结果相符。颗粒状和杆状相通过EDS结果分析确定为Al(Y,Zn)2。

最近的一些研究结果表明一些 Al2RE 颗粒可以作为 Mg 基体的异质形核核心。Qiu 等采用模型计算认为 Al2Y 是 Mg 基体有效的细化剂，且通过在Mg-10Y 中加入 Al 的方法验证了这一点。更重要的是，采用添加 Al细化的合金中晶粒的热稳定性明显高于采用 Zr 细化的合金中晶粒的热稳定性，这可能会减小高温下合金性能的降低程度[9]。

图2 铸态Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Al合金的XRD图谱

图3 铸态Mg93.6Y2.5Zn2.5Mn1Al0.4的SEM及EDS图

本实验并未检测到Al2Y 颗粒，原因是根据电负性理论，一种金属间化合物形成与否的决定因素在于元素间的电负性差值。从表1可以看出Al/Y和Zn/Y之间的电负性差值基本相同，可以推断最有可能形成的相是Al(Y,Zn)2，其过程是Al2Y颗粒在凝固外层吸附了低熔点的Zn，该颗粒在作为异质形核核心的同时消耗了大量的Y、Zn元素导致LPSO相数量减少。

表1 各元素的电负性值

2.2 合金力学性能分析

表2为铸态合金的室温力学性能及宏观硬度测试结果，随着Al添加量的增加，合金宏观硬度呈现先增高后降低的趋势，当a(Al)=0.4 %时，硬度达到最高。

表2 合金的铸态室温力学性能及硬度

图4为铸态Mg94-xZn2.5Y2.5Mn1Alx合金的室温拉伸应力-应变曲线。随着Al添加，合金的抗拉强度与延伸率都得到明显提高：铸态Mg93.6Zn2.5Y2.5Mn1Al0.4合金具有最优的力学性能，极限抗拉强度（UTS）和伸长率（δ）分别达到260 MPa和5.4%，相比Mg-Zn-Y-Mn四元合金，UTS和δ分别提高了32%和12.5%。且随着Al含量继续增加，合金的UTS与延伸率均呈现降低的趋势。因此，合金中Al的添加量必须限定在一定范围内。

图4 铸态MgZn2.5Y2.5Mn1Alx合金拉伸应力-应变曲线

合金力学性能的提高可以归结为1以下因素。第一，根据Hall-Petch 公式可知，合金的屈服强度大小与其晶粒尺寸大小有很大的关系。式中，σs为合金的屈服强度；σ0反映晶了内对屈服强度的影响，其数值相当于极大单晶的屈服强度；k反映晶界对屈服强度的影响，与晶界结构有关[10,11]。合金中添加Al元素后，晶粒得到细化，这是合金抗拉强度与延伸率都提高的原因之一。值得注意的是，k的值与晶体的滑移系数量有关，hcp金属的k值比fcc和bcc金属的都高，由于Mg是hcp结构，所以细化晶粒对Mg及其合金屈服强度的影响更为显著。第二，合金的力学性能与第二相的形态数量和分布有密切关系，众所周知，LPSO相是一种强韧相，能够在合金塑性变形时阻碍位错运动，承受晶粒载荷的转移，一般LPSO相越多，合金的强度和塑性越高，W相是一种硬脆相，有较大的变形抗力，因此W相的存在会使合金强度和硬度增加，这也是一种第二相的强化作用。但由于W相比较粗大，又呈半连续网状分布，所以不但强化作用有限，使强度和硬度提高不多，而且使塑性和韧性显著降低。当W相的体积分数较小时会对合金起到一定的强化作用，随着其含量的增加，W相开始变得粗大，在晶界处分布成连续网状，对基体造成割裂作用，会降低合金的性能，对合金的变形尤其不利[12,13]。本实验随着Al(Y,Zn)2相的增加，W相减少，对合金的力学性能提高是有利的，LPSO相的体积分数减少并没有降低合金的力学性能，说明基体上Al(Y,Zn)2相也起到了强化作用，原因是该相硬度大于基体，起到了钉扎位错滑移阻碍晶粒变形的作用。

3 结语

本文研究了Al 对铸态Mg94Zn2.5Y2.5Mn1合金微观组织和力学性能的影响，得出以下结论：

(1)添加合金元素Al以后，铸态Mg-Zn-Y-Mn-Al合金中除了原有的α-Mg相，X相（Mg12YZn），W相（Mg3Y2Zn3）以外，在基体上出现了一种新的Al(Y,Zn)2相，并且合金的微观组织得到了细化，粗大的树枝晶变得细小，当Al的加入量为0.4 a%时，细化效果最佳。

(2)实验表明由于基体中Al吸附了部分Y、Zn元素，随着Al含量的增加，LPSO相的体积分数减少，Al(Y,Zn)2相增多，二者呈现反向关系，通过改变Al的添加量可以调节LPSO/Al(Y,Zn)2比。

(3)由于合金元素Al的加入引起的细化效果与Al(Y,Zn)2相的析出，合金的抗拉强度与伸长率都得到提高。MgZn2.5Y2.5Mn1Al0.4合金的抗拉强度与延伸率分别达到260 MPa和5.4%，相比MgZn2.5Y2.5Mn1合金分别提高了36%和12.5%。

[1] 陈巧旺,汤爱涛,许婷熠,等. 高性能铸造稀土镁合金的发展[J].材料导报,2016(17):1-9.

[2] 张丁非,张红菊,兰伟,等. 高强镁合金的研究进展[J]. 材料热处理学报,2012(6):1-8.

[3] E. Oñorbe,G.Garcés,F.Dobes,P.Pérez,P.Adeva,High-temperature mechanical behavior of extrudedMg-Y-Zn alloy containing LPSO phases[J],Metall Mater Trans,2013(A44):2869-2883.

[4] Ju Y L, Kim D H, Lim H K, et al. Effects of Zn / Y ratio on microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Y alloys[J]. Materials Letters, 2005, 59(29-30):3801-3805.

[5] Wang J, Zhang J, Zong X, et al. Effects of Ca on the formation of LPSO phase and mechanical properties of Mg-Zn-Y-Mn alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2015, 648:37-40.

[6] Li D, Zhang J, Que Z, et al. Effects of Mn on the microstructure and mechanical properties of long period stacking ordered Mg 95 Zn2.5 Y 2.5, alloy[J]. Materials Letters, 2013, 109(1):46-50.

[7] Wang D, Zhang J, Xu J, et al. Microstructure and corrosion behavior of Mg-Zn-Y-Al alloys with long-period stacking ordered structures[J]. Journal of Magnesium & Alloys, 2014, 2(1):78-84.

[8] Tan X H, Weng J C K, Onn R K W, et al. Development of high-performance quaternary LPSO Mg-Y-Zn-Al alloys by Disintegrated Melt Deposition technique[J]. Materials & Design, 2015, 83:443-450.

[9] Qiu D, Zhang M X, Taylor J A, etc. A new approach to designing a grain refi ner for Mg casting alloys and its use in Mg-Y-based alloys[J]. Acta Materialia, 2009, 57(10): 3052-3059.

[10] N.J. Petch.The cleavage strength of polycrystals[ J]. Iron Steel Inst,1953(174): 25-28.

[11] E.O. Hall, The deformation and ageing of mild steel: III discussion of results[J], Proc Phys Soc B,1951 (64) :747-753.

[12] D.D. Wang, W.B. Zhang, X.M. Zong, K.B. Nie, C.X. Xu, J.S. Zhang, Abundant long period stacking ordered structure induced by Ni addition into Mg-Gd-Zn alloy[J], Mater Sci Eng,2014(A 618): 355-358.

[13] 陈景爱,柳伟,宗喜梅,等.Li元素对Mg_(94)Y_4Zn_2长周期镁合金组织与性能的影响[J]. 中国铸造装备与技术,2015(3).

Infl uence of Al addition on the microstructure and mechanical properties of Mg-Y-Zn-Mn alloy containing LPSO phases

PAN LongWei,ZHANG JiaXin,ZONG XiMei,LIU Wei,ZHANG JinShan
(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)

The infl uence of Al additions(0,0.3,0.4,0.5) on the microstructure and mechanical properties of ascast Mg94Zn2.5Y2.5Mn1(a%) alloys were investigated. Results showed that with the addition of Al,a new Al(Y,Zn)2phase formed within the matrix while the LPSO phase was reduce as the new phases increase,which resulted in the dramatic change of the mechanical properties and get a peak tensile strength of 260 MPa with an elongation of 5.4% when the Al addition was 0.4% .

LPSO strengthened magnesium alloy;in-situ particulate matrix composit;microstructures;mechan ical properties

TG146.22；

A；

1006-9658（2017）04-0015-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.004

国家自然科学基金项目(N os.50571073和51474153)；国家教育部博士点基金资助项目(20111402110004)；山西省科学基金(2009011028-3，2012011022-1)

2017-02-22

稿件编号:1702-1677

潘龙伟（1989—），男，在读硕士，主要从事镁合金的强韧化研究；通讯作者：张金山（1955—），男，教授，博士研究生导师，主要从事镁铝合金长周期及准晶与应用研究.