Ce添加对Mg–Ca挤压合金力学性能与热稳定性影响研究

2023-02-24 09:22李景仁谢东升张栋栋谢红波潘虎成任玉平秦高梧

精密成形工程 2023年2期

关键词：织构再结晶热稳定性

李景仁，谢东升，张栋栋，谢红波，潘虎成，任玉平，秦高梧

轻合金成形

Ce添加对Mg–Ca挤压合金力学性能与热稳定性影响研究

李景仁，谢东升，张栋栋，谢红波，潘虎成，任玉平，秦高梧

（东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110819）

研究在Mg–0.2Ca挤压合金基础上分别添加质量分数为0.3%的Ce和0.6%的Ca后对合金的组织、力学性能和热稳定性的影响，探究Ce和Ca 2种合金元素对镁合金的强化和中高温条件下的稳定化效果。首先，熔炼制备Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce和Mg–0.8Ca 3种成分的合金；随后，对3种合金进行挤压变形，并对挤压合金组织和力学性能进行表征和测试；最后，在300 ℃下对3种合金进行等温退火，研究其组织演变过程和力学性能的衰减情况。在Mg–0.2Ca合金基础上添加质量分数为0.3%的Ce可将挤压态合金再结晶分数由约92%降至约53%，再结晶晶粒尺寸由约1.64 μm细化至约0.86 μm，Mg–0.2Ca–0.3Ce三元合金的屈服强度可大幅提升至约364 MPa，该屈服强度与Mg–0.8Ca合金相当（约361 MPa），表明单位质量Ce的添加对强度提升的效果优于Ca。退火3 h后，Mg–0.2Ca–0.3Ce三元合金屈服强度的下降幅度约为124 MPa，显著低于Mg–Ca二元合金（约170 MPa）。以Mg–0.2Ca–0.3Ce合金为例进行静态再结晶组织演化分析表明，静态再结晶过程产生了稀土织构，其再结晶机制为不连续静态再结晶。在Mg–0.2Ca挤压合金中添加质量分数为0.3%的Ce后，屈服强度由约307 MPa提升至约364 MPa，其强度与继续添加质量分数0.6%的Ca合金相当，Mg–Ca–Ce三元合金热稳定性优于Mg–Ca二元合金。

变形镁合金；微合金化；力学性能；位错；热稳定性

镁合金由于具有低密度的特点，在亟待“轻量化”的诸多领域中，如航空航天、轨道交通、3C产品等具有巨大的应用前景[1-3]。然而，传统镁合金材料一直面临着绝对强度偏低和室温成形性差等瓶颈问题[4]。在可持续发展的背景下，“低合金化”逐渐成为镁合金的一个新发展方向，以期使用尽可能低的溶质含量获得高的综合力学性能[5]。然而，合金元素的减少通常会削弱固溶强化和第二相强化的效果。因此，对于具有高的Hall–Petch斜率的镁合金而言，选取一种有效的晶粒细化手段便成为开发新型高性能镁合金的有效途径[6]。例如，通过剧烈塑形变形（Severe Plastic Deformation，SPD）的手段，包括等通道转角挤压（Equar Channel Angular Pressing，ECAP）[7]、累积叠轧（Accumulative Roll Bonding，ARB）[8]、高压扭转（High-Pressure Torsion，HPT）[9-10]、旋锻（Rotary Swaging，RS）[11]，镁合金的晶粒一般可以细化至纳米尺度。然而，SPD方法制备的样品尺寸受限且加工成本较高，无法满足镁合金材料大规模的工业化应用。

合金化是实现镁合金晶粒细化的另一个有效手段[5]。在轧制、挤压等工业化流程的变形工艺条件下，有效的合金化元素可以通过促进动态再结晶（Dynamic recrystallization，DRX）形核和抑制再结晶晶粒长大而获得细小的晶粒尺寸。近期研究表明，非稀土Ca元素的添加可以在变形镁合金中起到强烈的细化晶粒的效果[12]，并据此开发出了Mg–Ca– Al–(Zn)[13]、Mg–Ca–Zn–(Mn)[14]、Mg–Ca–Sn–(Mn)[15]等合金体系，屈服强度普遍可以达到350 MPa以上。

然而，目前开发的Mg–Ca系合金中所含Ca元素含量依然较高（质量分数普遍大于0.7%），在合金熔炼与挤压件质量控制等方面均面临诸多挑战，因此，文中以添加超低含量的Ca（质量分数约为0.2%）为基础，结合微量Ce元素（质量分数约为0.3%），以期实现超高强度、超低合金化的变形镁合金。事实上，轻稀土元素Ce是镁合金中的重要合金元素之一，可起到显著弱化织构和提升塑性的效果，并据此开发出了Mg–Ce–Mn（ME20）等商用镁合金牌号[16]。然而，关于Ce和Ca两种元素对镁合金微观组织与力学性能的协同调控作用的研究目前还鲜有报道。与此同时，针对中高温环境下的服役要求，镁合金的热稳定性同样亟待解决。由此，文中拟研究Ce和Ca元素对镁合金力学性能和热稳定性能的影响规律并阐明其微观机理。

1 试验

在真空感应熔炼炉中制备名义成分Mg–0.2Ca、Mg–0.2Ca–0.3Ce、Mg–0.8Ca的合金（分别标注为X0、XC和X1）。采用电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）进行成分检测，实际成分如表1所示。将铸锭在530 ℃下保温12 h进行固溶处理，随后将45 mm×80 mm圆柱挤压成10 mm圆棒，挤压比20∶1，挤压速度0.4 mm/s，样品、模具和挤压筒的温度均设置为280 ℃。随后，对挤压态合金进行300 ℃下保温0.5～ 3 h的退火处理。将合金试样加工成直径5 mm、标距25 mm的拉伸试样。并在电子万能材料试验机（Schimazu AG–X Plus）上测试其室温力学性能，拉伸方向平行于挤压方向，应变速率为0.001 s–1，每种合金测试3个平行样。采用光学显微镜（OM，GX71）、场发射扫描电子显微镜（SEM，ZEISS–Crossbeam 550）及配备的背散射电子衍射探头（EBSD），场发射透射电子显微镜（TEM，JEOL JEM–2100F）对制备样品的微观结构进行系统表征。EBSD样品经由亚离子抛光（PIPS–II，GATAN 695）技术制备得到，TEM样品经由手动研磨及后续的离子减薄（PIPS–II，GATAN 691）制备。

表1 试验合金的化学成分

Tab.1 Chemical composition of the test alloys wt.%

2 结果与分析

2.1 力学性能

图1显示了X0、XC和X1合金的工程应力–应变曲线，挤压态X0合金的屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）和伸长率（EL）分别为307 MPa、317 MPa和6.8%，如图1a所示。添加质量分数为0.3%的Ce后，挤压态XC合金的YS、UTS分别提高至364、374 MPa，提高值约为60 MPa，如图1b所示。进一步提升Ca的质量分数至0.8%后，X1合金的的YS、UTS同样可分别提升至361、374 MPa，如图1c所示。为进一步研究3种合金的热稳定性，图1a—c还显示了退火态X0、XC和X1合金的工程应力–应变曲线。3种合金的YS值和EL值随退火时间发生变化，如图1d所示。随着退火时间的延长，3种合金的塑性显著提升，强度均有下降，但XC合金的YS值下降幅度最小。譬如，退火处理3 h后，XC合金的YS降低值=124.3 MPa，显著低于X0合金（= 165.2 MPa）与X1合金（=172 MPa），表明Mg–Ca–Ce三元合金具有更优的热稳定性。

2.2 挤压态合金微观组织

图2显示了挤压态X0、XC和X1合金的金相组织，3种挤压态合金均表现为双组态晶粒结构，即由细小的再结晶晶粒和沿挤压方向（ED）拉长的未再结晶晶粒组成。X0、XC和X1合金的再结晶比例分别约为92%、53%和77%，且Mg–Ce合金未再结晶区存在较宽的分布，表明Ce元素的添加可强烈抑制再结晶进程，该结果与Li等[17]报道的挤压Mg–Ce二元合金具有低的再结晶比例结果相一致，其微观机制与Ce元素可诱导镁基体中的高比例非基面滑移有关。

图1 X0、XC和X1挤压态和退火态合金的力学性能

图3为挤压态合金的EBSD结果。根据图3a、d、g的带对比度（BC）图可知，挤压态X0、XC和X1合金的再结晶晶粒平均尺寸分别约为1.64、0.86、0.87 μm，即在Mg–0.2Ca基础上继续添加0.3Ce和0.6Ca可产生类似的晶粒细化效果。图3b、e、h分别为沿ED的IPF模式取向成像图（IPF map），可以看出，未再结晶晶粒均表现为<10–10>||ED取向，而再结晶晶粒取向更为随机。从X0合金的反极图（图3c）可以看出，该合金具有典型的挤压丝织构，织构强度为5.62 mrd，同时含有弱的稀土织构组分（<44– 83>||ED）。Guan等[18]和Zeng等[19]研究发现，Ca元素具有类似稀土元素的作用，能够促进稀土织构的形成。XC和X1合金的整体织构强度接近（7.5～7.7 mrd），而XC合金再结晶晶粒的织构强度（约3.33 mrd）明显弱于X0和X1合金（5.6～6.0 mrd）。以上结果表明，相较于Ca，Ce具有更强的抑制再结晶和弱化织构效果，但对织构的种类不产生显著影响。