定向凝固下Mg-3Zn-Y合金组织和力学性能研究

胡延昆 李秋书 李建文 郭会玲

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

定向凝固下Mg-3Zn-Y合金组织和力学性能研究

胡延昆 李秋书 李建文 郭会玲

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

采用定向凝固工艺，在单一变量下分别对Mg-3Zn-Y合金在不同温度梯度以及不同拉伸速度下显微组织和力学性能进行了研究。结果表明：随着温度梯度逐渐增大，柱状晶更加粗大、均匀，方向性也更好；随着凝固速度逐渐增大，柱状晶平均宽度逐渐变窄，平均晶粒尺寸逐渐减小，晶粒分布的均匀性逐渐降低，晶粒生长的方向性、连续性也逐渐变差。提高温度梯度、拉伸速度，均能改善合金力学性能。

Mg-3Zn-Y合金；定向凝固；显微组织；力学性能

Mg-Zn合金作为研究较早的具有析出强化效果的镁合金，其室温力学性能显著，又具有良好的耐磨性，广泛用于家具装饰、建筑材料以及汽车配件等[1-3]。目前对镁锌合金组织、性能的研究主要集中于热处理，很少涉及定向凝固。然而定向凝固技术可以较好地控制晶粒取向，消除横向晶界和改善晶间第二相形貌[4-5]，这为镁锌合金的组织、力学性能研究奠定了良好的理论基础。稀土Y不仅可以对镁合金进行除杂净化，熔体阻燃[6]，而且Y与合金化元素Zn可以形成稳定的金属间化合物，这些金属间化合物熔点高、稳定性好，以细小化合物状态弥散分布于金属基体中和晶界处，在高温状态下可以对晶界起钉扎作用，阻碍晶界、位错的移动，形成沉淀强化镁合金，很好地弥补了镁合金高温力学性能的不足[7-10]。因此，本文采用定向凝固工艺研究Mg-3Zn-Y合金的组织、力学性能，旨在为制备高强度镁锌合金提供理论依据和有效途径。

1 实验材料和方法

实验原料为纯镁(99.9%)、纯锌(99.9%)和Mg-30%Y中间合金。实验合金的化学成分见表1。首先将镁锭预热到200℃，然后将其加入石墨坩埚(已提前预热至红热)，用中频感应加热炉继续加热至760℃，保温8～10 min，待镁锭完全熔化，降温至700℃，加入已预热好的锌粒和镁钇中间合金，搅拌3～5 min使其均匀分布于原熔体中。再加入覆盖剂，防止镁合金氧化，升温至760℃，保温5 min后停止加热，待温度降至720℃，加入RJ-2精炼剂，搅拌并扒渣，待金属液表面光亮、干净，静置680℃，浇注于提前预热至250℃的金属模子中，制成直径为8 mm、长度为150 mm的圆棒形Mg-3Zn-Y铸态试样。

表1 合金的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of alloy (Mass, %)

定向凝固技术采用的是温度梯度较高的区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法)。本实验采用Bridgman型定向凝固设备，加热系统为设备的核心，加热系统实验装置如图1所示。实验时需将铸态试样棒表面加工光滑，放入不锈钢坩埚中，然后固定在拉杆上，外面依次放上铜套加热体(温度高，导热性好)、陶瓷保温套(减少横向散热)，设置试验参数，在感应线圈加热下进行定向凝固实验。

1—不锈钢管 2—热电偶固定装置 3—热电偶 4—陶瓷保温套 5—试样棒 6—钢套发热体 7—区熔区 8—感应铜线圈 9—陶瓷隔热板 10—冷却水 11—感应铜线圈 12—拉伸装置 13—进水口 14—出水口图1 定向凝固加热系统简图Figure 1 The schematic of directional solidification heating system

试验完成后，取铸态试样和不同实验参数下的定向凝固试样，分别对其横、纵截面进行打磨、抛光，然后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀5～8 min，在光学显微镜下进行显微组织观察。采用XRD衍射仪、扫描电镜来分析合金的相组成与分布；在万能试验机上进行力学拉伸试验，拉伸速率1.0 mm/min；采用数显小负荷布氏硬度计(HBS-62.5型号)进行硬度测试。

2 分析与讨论

2.1 合金的相组成

图2所示为Mg-3Zn-Y合金铸态及定向凝固XRD衍射图谱。由图2可知，Mg-3Zn-Y合金组织主要由α-Mg基体与Mg3Zn6Y相组成。图3所示为Mg-3Zn-Y合金SEM图及EDS分析。由图3可以看出，第二相以白色粒状弥散分布于基体或晶界上，从能谱分析中可以看出所测位置的化学 成分中Mg∶Zn∶Y含量接近3∶6∶1，进而证明了其为Mg3Zn6Y相。Zn和Y元素含量相对于Mg而言比较低，因此α-Mg相居多，Mg3Zn6Y相含量偏低。

图2 铸态和定向凝固Mg-3Zn-Y合金XRD图谱Figure 2 XRD spectrum of as-cast and directional solidified Mg-3Zn-Y alloy

图3 Mg-3Zn-Y合金SEM图及EDS分析Figure 3 SEM images and EDS analysis of Mg-3Zn-Y alloy

2.2 定向凝固对合金显微组织的影响

2.2.1 温度梯度对合金显微组织的影响

图4所示为Mg-3Zn-Y合金拉伸速度在25 μm/s时不同温度梯度下试样纵截面的光学显微组织。可以看出，当拉伸速度为25 μm/s时，相比于70 K/cm的定向凝固组织，温度梯度为100 K/cm的定向凝固组织柱状晶更粗大、笔直、均匀，方向性也更好，柱状生长趋势更为明显。

分析认为：根据成分过冷理论[11]，在拉伸速度不变的情况下，温度梯度增大，就可以使成分过冷区域减小，使定向凝固组织由胞状生长向柱状生长演变，从而形成均匀、稳定的柱状晶组织。

(a)70 K/cm (b)100 K/cm图4 拉伸速度为25 μm/s时的光学显微组织Figure 4 Optical microstructure at stretching rate of 25 μm/s

2.2.2 拉伸速度对合金显微组织的影响

要获得均匀、稳定的柱状晶组织，就必须保持在生长方向的平界面生长，平面生长的条件[12]如下：

式中，G为温度梯度；R为凝固速度(拉伸速度)；m为液相线斜率；C0为合金的成分；D为溶质元素在液相中的扩散系数；K0为平衡分配系数。

从式(1)可以得出，在G和C0一定的条件下，凝固界面形态只取决于生长速度的大小，因此凝固速度是除温度梯度外又一影响定向凝固组织的关键因素。

图5所示为Mg-3Zn-Y合金在恒定温度梯度100 K/cm，拉伸速度分别为10 μm/s、25 μm/s以及50 μm/s时的光学显微组织。可以看出，图5(a)为铸态组织，呈花瓣状的等轴枝晶分布。与图5(a)相比，图5(b)、图5(c)、图5(d)的组织变化明显，呈典型柱状晶分布。再仔细对比发现，柱状晶组织无论是在晶粒尺寸、晶粒生长方向、晶粒的分布，还是晶界的连续性都出现了一定的差别。

有大量实验研究表明[13-14]，随着固液界面前方成分过冷区的变宽，晶体生长方式由平面生长逐步转换为胞状生长，然后再过度到枝晶生长。当拉伸速度为10 μm/s时，由于固液界面前方成分过冷区相对较窄，界面接近于平面生长，所以组织呈现出宽大的柱状枝晶，如图5(b)所示。当拉伸速度增加到25 μm/s时，成分过冷区相对变宽，主干在生长过程中会在其前端分裂出二次枝晶，柱状晶生长出现不连续、不均匀性，如图5(c)所示，枝晶的宽度相对图5(b)来说变细。当拉伸速度提高到50 μm/s时，成分过冷区也更宽，二次枝晶会在其生长过程中演变长出三次枝晶，枝晶的生长为“限制型生长”，形成阵列枝晶，如图5(d)所示，枝晶的宽度较图5(b)、图5(c)来说更细，晶界不再笔直延伸生长，出现了弯曲形态，晶体的连续性也变得更差。综上所述，随着拉伸速度的逐渐增大，定向凝固组织晶体平均宽度逐渐变窄，晶粒尺寸逐渐减小，晶粒分布的均匀性逐渐降低，晶粒生长方向与主轴逐渐有所偏离，晶体的连续性也逐渐变差。

(a)铸态 (b)10 μm/s (c)25 μm/s (d)50 μm/s图5 不同拉伸速度下纵向光学金相显微组织Figure 5 Longitudinal optical metallographic microstructure at different stretching rates

2.3 定向凝固对合金力学性能的影响

2.3.1 定向凝固对合金拉伸性能的影响

定向凝固技术通过建立特定方向的温度梯度，很好地控制了晶体取向，消除了横向晶界，理论上可以使铸件获得优秀的纵向力学性能。

图6所示为Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度以及不同温度梯度下的拉伸性能。从图6可以明显看出，当拉伸速度一定，随着温度梯度的增大，抗拉强度和伸长率都呈现出增大的趋势。通过对比可知，高温度梯度下的抗拉强度较低温度梯度下的抗拉强度提高了约9.3%，伸长率提高了约15.0%；当温度梯度一定，随着拉伸速度的增大，抗拉强度和伸长率也都呈现逐渐增大的趋势，当拉伸速度达到50 μm/s时，抗拉强度达到245.0 MPa，相比铸态合金，提高了35.7%，伸长率达到了13.7%，比铸态合金提高了53.9%。

图6 Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度 以及不同温度梯度下的拉伸性能Figure 6 Tensile property of Mg-3Zn-Y alloy at different stretching rates and temperature gradients

由式(1)可知，柱状晶生长过程中只有在高的G/R比值条件下柱状晶的实际生长方向和柱晶的理论生长方向才越接近，否则晶体生长会偏离轴向排列方向。另外，由上述显微组织分析可知，G/R比值通过影响合金组织进而影响合金力学性能。一方面通过定向凝固，组织生长的方向与拉伸方向有了较好的切合，晶粒由等轴晶转变为柱状晶，消除了横向晶界的影响，减少了集中应力，从而合金拉伸性能明显提高。另一方面是晶粒大小的影响。当凝固速度为50 μm/s，柱状晶的组织宽度变窄，最为致密细小，这与晶粒细化能提高合金强度的理论相一致[15]。此外，从图5可以看出，随着凝固速率的增大，第二相分布逐渐增多，也更为均匀，弥散强化作用使合金材料拉伸性能进一步提高[16]。

2.3.2 定向凝固对合金硬度的影响

图7所示为Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度以及不同温度梯度下的合金硬度变化曲线。从图7可以明显看出，当拉伸速度一定，随着温度梯度的增大，合金硬度都呈现增大趋势，高温度梯度下的合金硬度较低温度梯度下的合金硬度提高了约11.3%；当温度梯度一定，随拉伸速度的增大，合金硬度也都呈现逐渐增大的趋势，当拉伸速度达到50 μm/s时，合金硬度达到71.1HV，相比铸态合金提高了25%。

图7 Mg-3Zn-Y合金在不同拉伸速度 以及不同温度梯度下的合金硬度Figure 7 Hardness of Mg-3Zn-Y alloy at different stretching rates and temperature gradients

研究表明，合金材料的硬度与强度在一定程度上呈现正相关，即高硬度与高强度相对应，低硬度与低强度相关联[17]。硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。因此，影响合金材料抗拉强度的因素必然影响合金材料的硬度。合金硬度的提高，这归因于组织生长形态、晶体组织的细化以及第二相的弥散强化作用。

3 结论

(1)Mg-3Zn-Y合金组织主要由α-Mg与Mg3Zn6Y相组成，基体相呈花瓣状的等轴枝晶，第二相以白色粒状弥散分布于基体或晶界上。

(2)拉伸速度恒定，随着温度梯度的增大，柱状晶更粗大、均匀，方向性也更好；温度梯度恒定，随着拉伸速度的逐渐增大，柱状晶平均宽度逐渐变窄，晶粒尺寸逐渐减小，晶粒分布的均匀性逐渐降低，晶粒生长的方向性、连续性也逐渐变差。

(3)提高温度梯度、拉伸速度，均能改善合金力学性能。当温度梯度为100 K/cm，拉伸速度为50 μm/s时，合金抗拉强度、伸长率、硬度最大分别为245.0 MPa、13.7%、71.1HV，相比铸态合金分别提高了35.7%、53.9%、25%。

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编辑 杜青泉

Research on Structure of Mg-3Zn-Y Alloy and Mechanical Property under Directional Solidification

HuYankun，LiQiushu，LiJianwen，GuoHuiling

By using directional solidification process, under a circumstance of single variable, the microstructure and the mechanical property of Mg-3Zn-Y alloy was investigated under different temperature gradients and different stretching speed. The result indicates that with the increase of temperature gradient, the columnar crystal is coaser, more uniform and better directivity. As the solidification rate increasing, the average width of columnar crystal gradually narrows down, the grain size gradually decreases, the uniformity of the grain distribution gradually decreases, the growth direction and continuity of grain gradually deteriorate. Both by increasing the temperature gradient and the stretching rate can improve the mechanical property of the alloy.

Mg-3Zn-Y alloy, directional solidification, microstructure, mechanical property

TG146.2+2

A

2017—03—09

晋城市科技计划项目(No.201501004-13)；山西省研究生创新项目(2016BY137)

胡延昆(1990—)，男，硕士，当前研究课题为定向凝固下镁合金导热性能的研究，研究方向为轻质高强金属结构材料。