不同热处理工艺对Mg–Y–Zn–V合金组织力学性能的影响

史群，韩富银，郑灿，张长江，张树志

不同热处理工艺对Mg–Y–Zn–V合金组织力学性能的影响

史群，韩富银，郑灿，张长江，张树志

（太原理工大学 材料科学与工程学院，太原 030024）

探索合适的热处理工艺，以调控合金的晶粒尺寸和LPSO相特征（形貌、类型、体积分数和分布），从而优化其力学性能。通过改变热处理时间及冷却方式得到一系列Mg–Y–Zn–V合金，利用X射线衍射、光学显微镜、扫描电镜和拉伸测试等手段分析热处理后合金的微观组织及力学性能。在500 ℃、24 h固溶处理后，通过水冷得到的合金性能最佳，极限抗拉强度为190 MPa，屈服强度为129 MPa，伸长率为18.4%。随着热处理时间的延长，18R相逐渐固溶到基体中，而W相在发生球化后很难进一步固溶到基体，且在不同的冷却方式下LPSO相呈现块状、杆状和针状3种形态。固溶处理后球化的W相和块状18R相可以提高合金性能，而层片状LPSO则会降低合金的力学性能。

长周期堆垛有序结构；镁合金；热处理；微观组织；力学性能

镁合金因其质量轻、比强度高、精密热成形性能好、可回收等特点而受到学者们的广泛关注，但塑性差、强度低、各向异性严重等缺点限制了其在工程方面的应用。近些年的研究发现，含稀土元素的镁合金有着优异的室温及高温性能，特别是当镁合金中的稀土元素与过渡元素成一定比例时，能形成长周期堆垛有序（long period stacking ordered，LPSO）结构，其独特的强化机理和特殊的原子结构成为了研究热点[1-4]。

众多学者采用高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF–STEM）对LPSO相的原子结构进行了分析，长周期相目前可分为6H、10H、12h、14H、18R、21R、24R、72R、29H、102R、192R、51R和60H几种类型[5-7]。在目前已发现的长周期相中，14H和18R相已被广泛报道，尤其是二者之间的转化关系对性能的影响广受关注[8]。Liu等[9]通过对不同成分Mg– Y–Zn铸态合金进行退火处理，发现14H相是从基体中析出而非由18R相转化得到，而Li等[10]则认为18R相会在热处理过程中向14H相转变。肖剑雄等[11]研究发现，不仅不同类型的LPSO相对性能的影响不同，不同形貌的LPSO相对合金的力学性能也有不同的影响。

课题组前期研究发现，含LPSO相的Mg–Zn– Y–V稀土镁合金有着优异的耐腐蚀性能[12]。对于含LPSO相Mg–Zn–Y–V稀土镁合金，合适的热处理工艺可以调控合金的晶粒尺寸和LPSO相特征（形貌、类型、体积分数和分布），从而优化其力学性能，然而目前尚未有相关报道。因此，文中制备了Mg–7Y– 5Zn–0.1V合金，研究固溶时间和冷却方式对铸态Mg–7Y–5Zn–0.1V合金组织性能的影响规律。

1 实验

1.1 合金制备及固溶处理

所用合金为Mg–7Y–5Zn–0.1V（质量分数），通过普通铸造方法制备，原材料为高纯镁（质量分数为99.99%）、Zn（质量分数为99.99%）、V（质量分数为99.99%）、Mg–30Y（质量分数为99.99%）中间合金。在760 ℃下进行熔炼，由于V为高温金属，所以选用的V为粉末状，熔炼时用铝箔包裹，压入合金中并进行搅拌，熔炼过程保证在Ar2气氛的保护下进行，最终将熔体倒入预热过的铜模（200 ℃）中。

利用线切割工艺从铸锭中部取样。随后将样品在500 ℃下分别进行12、24、36 h的固溶处理，并采用水冷、空冷、炉冷3种不同的冷却方式。热处理工艺如表1所示。

表1 Mg–7Y–5Zn–0.1V合金不同热处理工艺

Tab.1 Different heat treatment processes for the Mg-7Y-5Zn-0.1V alloys

1.2 显微组织表征及拉伸测试

对铸态及固溶处理的样品采用光学显微镜（OM，LeicaDM2700 M）、扫描电子显微镜（SEM，JSM– 6700）、能谱仪（EDS）、XRD–2700型X射线衍射仪（XRD）、电子万能材料试验机（INSTRON5969）进行表征和分析。拉伸性能（YTS、UTS和EL）基于3个测试取平均值。采用Image–pro Plus 6.0软件测量相体积分数和平均晶粒尺寸。

2 微观组织及力学性能分析

2.1 铸态及热处理微观组织

表2和图1分别为EDS能谱分析结果和铸态合金微观组织。从图1a可以看出，不同热处理工艺下合金的组织和铸态都是由α–Mg、W（Mg3Zn3Y2）和18R（Mg12ZnY）组成，并没有产生新相。根据图1d和EDS分析结果可知，灰色第二相为18R相，亮白色镂空网状第二相为W相，并且第二相主要沿晶界分布，在铸态合金中体积分数为30%，其中18R相和W相的体积分数分别为21.5%和8.5%，二次枝晶臂平均间距为35 μm，如图1b中箭头所示。

表2 Mg–7Y–5Zn–0.1V合金物相的EDS能谱分析

Tab.2 EDS elemental analysis of the phases in Mg-7Y-5Zn-0.1V alloys at.%

图2为不同热处理工艺下得到的合金SEM图。通过水冷得到的显微组织中18R相呈块状分布；空冷下得到的组织中18R相呈块状和杆状分布；炉冷下得到的18R相呈杆状和块状分布，区别于空冷的组织，炉冷得到的组织在基体中析出了层片状组织，且在不同的晶粒内部具有不同的方向。对比水冷和空冷，炉冷得到了层片状组织应该是因为冷却过程缓慢，Y、Zn固溶度随之下降，过饱和溶质原子有足够时间析出并形成了细小的针状相。随着固溶时间的增加，层片状组织越来越密集，研究表明层状组织为14H相[13]。

图1 Mg–7Y–5Zn–0.1V合金铸态显微组织及XRD图谱

不同于18R相，W相在经过固溶处理后，形状由铸态的鱼骨状变为球状，且球状的W相随着固溶时间的增加以及冷却方式的改变几乎没有任何变化。其固溶处理机理如图3所示。

不同热处理条件下Mg–7Y–5Zn–0.1V合金的第二相体积分数和晶粒尺寸分别如图4a和b所示。在相同的冷却方式下，随着热处理时间的延长，晶粒尺寸逐渐增大，18R相的体积分数减小。当固溶时间为12 h时，晶粒尺寸为25 μm，相对于铸态合金晶粒尺寸增大了47%，18R和W相分别固溶了47.1%和54.5%。当固溶时间为24 h和36 h时，晶粒尺寸分别为31 μm和35 μm，18R相逐渐固溶到基体中。

2.2 力学性能

铸态及固溶态Mg–7Y–5Zn–0.1V合金的力学性能如图5所示。铸态合金极限抗拉强度为171 MPa，屈服强度为130 MPa，伸长率为9%。经过不同工艺固溶处理后，合金综合力学性能得到提高。相同的热处理温度下，随着冷却速度的降低，合金的力学性能逐渐降低，水冷之后的合金力学性能最高；在相同的冷却方式下，随着热处理时间的增加，合金力学性能呈现先增加后降低的趋势。当热处理时间为24 h时，合金性能最佳，极限抗拉强度为190 MPa，屈服强度为139 MPa，伸长率为18.4%。其中，块状18R相对力学性能的提高最明显，其次是条状18R相，在热处理后基体中析出层片状14H相后，综合力学性能反而降低。

固溶处理后合金综合力学性能得到提高归因于以下3点：（1）水冷之后保留了高温组织，更好地发挥了Zn元素和Y元素的固溶强化作用，因此提高了材料的极限抗拉强度；（2）W相从镂空网状变为球状，避免了应力集中，对位错运动的阻碍作用较小，因此提高了材料的伸长率[14]；（3）18R相具有载荷传递效应，可以更好地分散应力，从而表现出良好的塑性。

图2 不同热处理工艺下合金的SEM图

图3 合金固溶处理机理

图4 合金第二相体积分数和合金晶粒尺寸

图5 不同状态下Mg–7Y–5Zn–0.1V合金的力学性能

图6为合金固溶处理后拉伸断口SEM图，可以看出，水冷得到的合金中含有大量的等轴韧窝和少量的解理台阶，另外还可以看到部分W相，其中W相的球化改变了原铸态合金的鱼骨状形态，减少了塑性断裂的概率，是比较典型的韧性断裂。空冷后得到的合金出现了较多的解理面和撕裂棱，同时韧窝也变得不均匀，表现为脆性–韧性混合断裂。炉冷得到的合金表面被大量具有强方向性的解理带和二次裂纹占据，这表现出典型的脆性断裂行为，这种强方向性的解理带是第二相之间的共生生长模式所致[15]。

图6 固溶处理24 h后不同冷却方式下得到的合金拉伸断口

3 结论

系统研究了固溶处理时间及冷却方式对Mg–7Y–5Zn–0.1V合金组织及力学性能的影响，得到以下结论。

1）相同冷却方式下，随着固溶处理时间的增加，18R相逐渐固溶到基体中，球化后的W相很难继续固溶到基体中，球化后的W相有利于提高合金性能。

2）相同固溶处理时间下，通过不同冷却方式得到的合金，其组织中的LPSO相呈现块状、杆状和层片状，其中弥散分布的块状LPSO相对提高性能的影响最大。

3）在500 ℃、24 h固溶处理后，通过水冷得到的合金性能最佳，极限抗拉强度为190 MPa，屈服强度为129 MPa，伸长率为18.4%。

[1] 王丽娟, 牛瑞利. Zn添加对挤压态Mg-Al-Ca-Mn合金微观组织和力学性能的影响[J]. 精密成形工程, 2021, 13(4): 139-143.

WANG Li-juan, NIU Rui-li. Effect of Zn Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Extruded Mg-Al-Ca-Mn Alloy Retraction[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(4): 139-143.

[2] 尚会会, 曹富荣, 项超. 镁合金超塑性研究进展[J]. 精密成形工程, 2020, 12(5): 111-116.

SHANG Hui-hui, CAO Fu-rong, XIANG Chao. Research Progress in Superplasticity of Magnesium Alloys[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(5): 111-116.

[3] LI Bi-guang, WANG Ya-shuo, JIANG Jing, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Extruded Mg-Y-Zn (Ni) Alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 881: 160577.

[4] YU Zi-jian, XU Chao, MENG Jian, et al. Effects of Extrusion Ratio and Temperature on the Mechanical Properties and Microstructure of As-Extruded Mg-Gd-Y-(Nd/Zn)-Zr Alloys[J]. Materials Science & Engineering A, 2019, 762: 138080.

[5] ZHU Y M, MORTON A J, NIE J F. The 18R and 14H Long-Period Stacking Ordered Structures in Mg-Y-Zn Alloys[J]. Acta Materialia, 2010, 58(8): 2936-2947.

[6] MI Shao-bo, JIN Qian-qian. New Polytypes of Long-Period Stacking Ordered Structures in Mg-Co-Y Alloys[J]. Scripta Materialia, 2013, 68(8): 635-638.

[7] XU Dao-kui, HAN En-hou, XU Yong-bo. Effect of Long-Period Stacking Ordered Phase on Microstructure, Mechanical Property and Corrosion Resistance of Mg Alloys: A Review[J]. Progress in Natural Science: Materials International, 2016, 26(2): 117-128.

[8] WAN Di-qing, WANG Hou-bin, LI Zhu-min, et al. Aging Kinetics of 14H-LPSO Precipitates in Mg-Zn-Y Alloy[J]. China Foundry, 2020, 17(1): 42-47.

[9] Liu H, Xue F, Bai J, et al. Formation Behavior of 14H Long Period Stacking Ordered Structure in Mg-Y-Zn Cast Alloys with Different α-Mg Fractions[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2016, 32(12): 1267-1273.

[10] LI W, LIU C, LIU L, et al. Activation of Pyramidal Ⅱ<+> Slips at Room Temperature in Mg-Zn-Y 18R and 14H Long-Period Stacking Ordered Phases[J]. Intermetallics, 2021, 135: 107225.

[11] 肖剑雄, 宋安奇, 尚振岗, 等. 均匀化处理及冷却方式对Mg-Y-Zn合金显微组织及硬度的影响[J]. 材料热处理学报, 2020, 41(2): 16-22.

XIAO Jian-xiong, SONG An-qi, SHANG Zhen-gang, et al. Effects of Homogenization and Cooling Method on Microstructure and Hardness of Mg-Y-Zn Alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2020, 41(2): 16-22.

[12] 张佳欣. V微合金化对长周期有序堆垛结构增强Mg-Zn-Y合金的影响研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2020: 71-72.

ZHANG Jia-xin. Effects of V Microalloying on Long-Period Stacking Ordered Enhanced Mg-Zn-Y Alloys[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2020: 71-72.

[13] LU R, WANG J, CHEN Y, et al. Effects of Heat Treatment on the Morphology of Long-Period Stacking Ordered Phase, the Corresponding Damping Capacities and Mechanical Properties of Mg-Zn-Y Alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 639: 541-546.

[14] YANG Kai, ZHANG Jin-shan, ZONG Xi-mei, et al. Spheroidizing Behavior and Spheroidizing Kinetics of W-Phase during Solid-Solution Treatment in Mg-Zn-Y-Mn-(B) Alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2017, 30(5): 464-469.

[15] 赵锐. TiB2纳米颗粒对Mg-Zn-Y基复合材料显微组织和力学性能影响的研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2020: 36-37.

ZHAO Rui. Study of the Effect of TiB2Nanoparticles on Mg-Zn-Y Matrix Composites[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2020: 36-37.

Effects of Different Heat Treatment Processes on the Microstructure and Mechanical Properties of Mg-Y-Zn-V Alloy

SHI Qun,HAN Fu-yin, ZHENG Can, ZHANG Chang-jiang, ZHANG Shu-zhi

(College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

The paper aims to explore the appropriate heat treatment process and regulate the grain size of the alloy (morphology, type, volume fraction, and distribution) to optimize its mechanical properties. A series of Mg-Y-Zn-V alloys were obtained by changing the heat treatment time and cooling method. The microstructure and mechanical properties of the alloys after heat treatment were analyzed by X-ray diffraction, optical microscope, scanning electron microscope, and tensile testing. After solution treatment at 500 ℃ for 24 h, the alloy obtained by water cooling had the best performance, with ultimate tensile strength of 190 MPa, yield strength of 129 MPa, and elongation of 18.4%. With the extension of the heat treatment time, 18R phase gradually dissolved into the matrix, while the W phase was difficult to further dissolve into the matrix after spheroidization. And under different cooling methods, the LPSO phase presented three forms: block, rod and lamellar. After solution treatment, the spheroidized W phase and block 18R can improve the properties of the alloy, while the lamellar LPSO will reduce the mechanical properties of the alloy.

long period stacking ordered (LPSO); magnesium alloy; heat treatment; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.006

TG146.2+2

A

1674-6457(2022)06-0044-06

2021–11–12

山西省重大科技专项（20191102007）；山西省高等学校大学生创新创业训练项目（2020086）

史群（1996—），男，硕士生，主要研究方向为稀土镁合金材料。

韩富银（1966—），男，博士，副教授，主要研究方向为高性能镁合金及其热成形技术。

责任编辑：蒋红晨