变形态Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金热处理微观组织演变规律与硬度研究

李璐瑶,任璐英,闫钊鸣,3,4,胡博文,鲁 泽

(1.中北大学 材料科学与工程学院, 太原 030051;2.北京航天情报与信息研究所,北京 100854;3.火箭军工程大学 导弹工程学院, 西安 710025;4.中北大学 镁基材料深加工技术教育部工程研究中心, 太原 030051)

0 引言

镁合金是目前工程应用中最轻的结构金属材料,具有比强度/比刚度高、阻尼性能好、电磁屏蔽性能优良以及易回收等优点,在航空航天、国防军工、交通运输与电子3C等领域有着广阔的应用前景[1-4]。

众多研究发现,添加稀土元素可以有效解决镁合金绝对强度低的问题,如Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金[5-7],具有的丰富第二相可以有效的提升合金强韧性;由于铸造工艺本身的限制,承力构件通常采用变形镁合金以提高其服役安全性。稀土镁合金具有显著的热处理强化特征,不同工艺会对该合金的组织和性能产生明显影响,固溶与时效处理是典型的两种热处理方式。针对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金,长周期有序堆垛结构(LPSO相)是其最典型的第二相,经过固溶与时效处理后,LPSO相沿c轴的周期性堆垛方式变化为获得高性能Mg-Gd-Y-Zn-Zr的提供了支撑;在恰当时效条件下,合金析出的大量纳米析出相会对基体产生强烈的时效强化效果。因此,研究不同热处理工艺对镁合金组织与性能的影响,并探索出最佳热处理制度受到了研究人员的广泛关注[8-10]。

刘光明等[11]研究了热处理对350 ℃轧制AZ31镁合金板的组织与性能的影响,结果表明:轧板经过400 ℃×1 h退火处理后,平均晶粒尺寸细化至6.5 μm,抗拉强度、屈服强度与延伸率分别为209.1、158.9 MPa和27.3%。闫发发等[12]开展了固溶与时效处理对挤压态AZ80镁合金杯形件的组织和性能的影响研究,经过直接时效处理的合金强化效果不明显,而经过固溶+时效处理后,合金强塑性提升明显,变形AZ80镁合金最佳热处理制度为415 ℃×1.5 h+175 ℃×36 h。Wang等[13]探究了热处理工艺对挤压态Mg-4.8Zn-1.2Y-0.4Zr合金的组织与性能影响,经过固溶处理后,由于W相回溶为细小颗粒相的原因,合金塑性显著提升;经过500 ℃×2 h+200 ℃×48 h的固溶+时效处理后W相溶解,并析出Mg-Zn和Mg-Y相,使得合金抗拉强度与延伸率分别由311 MPa、16.89%提升至374 MPa、21.97%。

综上分析,可以看出变形态镁合金经过热处理后对组织与性能有着显著的改善作用。目前,针对高稀土含量的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金变形后的热处理组织演变与性能分析仍有欠缺。本研究以挤压态Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr为研究对象,开展固溶+时效处理研究对合金微观组织演变与硬度分析研究,确定合金最佳热处理制度,提升合金综合性能,为合金工业应用提供技术支撑。

1 材料与实验方法

研究采用变形态Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金,具体化学成分如表1所示。

表1 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金化学成分(质量分数,%)

采用试样切割机制备10 mm×10 mm×10 mm的热处理样品,采用SXW-6-6箱式电阻炉进行固溶处理实验,加热温度为510、520、530 ℃,保温时间为8、16、24 h,采用70 ℃水浴冷却。选用DHG-9070B鼓风干燥机进行时效处理实验,合金加热温度为200 ℃,保温时间为8、32、56 h,采用自然冷却方式。

将实验样品分别研磨、剖光与腐蚀后获得观测试样,腐蚀溶液配比为:1 g苦味酸+2 mL冰乙酸+14 mL酒精+2 mL蒸馏水,腐蚀时间约为10 s,随后,采用Carl Zeiss Axio Image A2m光学显微镜(OM)进行组织观察。采用日本理学Rigaku X射线衍射仪进行物相分析。采用Hitachi SU5000热场发式扫描电子显微镜(SEM)对样品微观组织第二相形貌、分布及大小进行表征。采用Jeol JEM-F200透射电子显微镜(TEM)进行析出相标定与组织明场形貌分析。采用UHL WMH-002VD进行试样纤维硬度测试,同一个试样均匀取10个位置点进行测试,并去硬度平均值。

2 结果与讨论

2.1 变形态合金组织

图1所示为变形态Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的微观组织图。可以看出,合金中主要由大的变形母晶粒、细小的动态再结晶组织、块状与片层状LPSO相、Mg5(Gd,Y,Zn)相等组成。块状LPSO相在变形时被明显拉伸、细化为长条状,并沿具有相同的分布取向,同时具有典型的破碎分布特征。通过TEM分析可知,合金中的LPSO相具有稳定的14H型结构。

图1 变形态Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金组织表征图

2.2 固溶处理

图2为不同固溶处理制度下的Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的微观组织演变图。可以看出,合金组织变化与加热温度与保温时间有着密切影响,在较低的固溶温度下(510 ℃),如图2(a)(b)(c)所示,合金中的第二相未能得到有效溶解,同时在较短的保温时间时(8 h、16 h),合金中出现大量片层状LPSO相,沿着块状相边缘析出,并向晶内生长。随着保温时间增加到24 h,合金中的片层LPSO相逐渐溶于基体,而块状相仍然部分聚集在晶界处。随着加热温度升高至520 ℃,如图2(d)(e)(f)所示,片层状LPSO仅在保温时间为8 h时少量存在,同时晶界处块状相进一步溶于基体;当保温时间为16 h时,合金内块状第二相比例出现大幅降低,晶粒未出现明显长大;当保温时间为24 h时,晶粒由于吸收过多储能而长大明显。当加热温度达到530 ℃时,如图2(h)(i)(j)所示,合金中同样存在着一定程度的组织粗化和晶粒过度长大的缺陷,影响后续的塑性变形效果。通过图2可以看出,虽然经过了高温固溶处理,合金内大部分第二相回溶于基体,仍然有部分块状相难以充分溶解,这是因为合金中存在的枝晶偏析现象,Gd、Y原子熔点高,形成的共晶相难以短时间快速溶解,而时间增长会导致晶粒长大,组织粗化,影响合金后续变形性能。因此,通过综合分析各参数下的组织演变,520 ℃×16 h是较为合理的固溶处理制度。

图2 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金固溶处理微观OM图

在经过520 ℃×16 h固溶处理后的合金试样上随机选取10个点进行显微硬度测试,表2为原始变形态合金与固溶处理后合金硬度值测试结果。固溶后试验合金相比于初始变形态的显微硬度降低。这是因为合金在固溶处理过程中,第二相溶入基体,其强化作用的硬质相减少,基体所占比例增大。此外,高温使合金晶粒出现一定程度的长大,同时削弱了变形硬化作用导致合金硬度出现降低。

表2 变形态Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金和固溶处理后合金硬度值

2.3 时效处理

Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金具有强烈的析出强化特性,随着加热温度的降低,合金中的Gd、Y元素会逐渐析出,形成弥散析出相。目前针对Gd和Y为主要添加元素的稀土镁合金的主要析出序列为:Mg(S.S.S.S)—β″(D019)—β′(cbco)—β(bcc),β′相为合金主要强化相,β′相弥散分布可有效提升合金强度[14-16]。

在合金经过520 ℃×16 h固溶处理的基础上进行200 ℃时效处理,保温时间分别为8、32、56 h。图3为合金在200 ℃不同保温时间下的硬度值对比图。可以看出,合金在保温时间为30 h时达到峰值硬度120.35 HV,此时合金达到峰时效状态。与固溶后合金硬度相比,200 ℃峰时效态合金硬度值提升了约26 HV,表现出较好的时效强化现象。

图3 合金在200 ℃不同保温时间下的硬度值

图4为Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金经过520 ℃×16 h固溶处理后的TEM组织形貌。可以看出,合金晶粒内存在着少量具有相同取向的片层状LPSO相,如图4(a)所示,块状LPSO相分布于晶界出,如图4(b)所示,此结果与前期实验表征结论一致。通过变形形成的晶内高密度位错,在高温固溶条件下湮灭,合金储能降低。

图4 固溶后Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金微观组织明场像

图5为Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金欠时效状态的组织TEM图,此时的时效温度为200 ℃,保温时间为8 h。从合金硬度随时效的变化趋势得出,合金在时效前期析出强化特性表现显著,其主要析出相为大量细小球状沉淀相,如图5(a)所示,球状相弥散均匀分布于基体内,并起到起一定的强化作用(合金硬度提升)。通过选区衍射实验可以看出,该相为具有六方超点阵结构(D019)的β″相,如图5(b)所示。

图5 经过200 ℃×8 h时效处理后的合金微观组织图

图6为Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在200 ℃×32 h处理下的TEM图,依据图3硬度分析可知,此时为合金峰时效状态。可以看出,合金在欠时效状态形成的细小球状沉淀相基本消失,并析出形成了大量的透镜状析出相弥散分布于基体内。通过选取衍射实验可知,该相具有底心正交结构(cbco),为β′相,此时合金硬度相比固溶态提升约25 HV,是Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金时效中最主要的强化相。

经过200 ℃×56 h时效处理后合金性能降低,此时合金通过分析合金微观组织演变图,如图7所示,可以看出,基体内透镜状β′相基本消失,并由新的沉淀相代替,如图7(a)所示,此时为合金过时效状态。通过分析新的沉淀相的选取衍射图,如图7(b)所示,可知该相具有体心立方(bcc)结构,为稳定的β-Mg5(Gd,Y,Zn)相。

图7 经过200 ℃×56 h时效处理后的合金微观组织图

3 结论

本研究中开展了变形态Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的热处理行为研究,获得了合金固溶与时效处理过程中的组织演变规律与硬度变化,得到结论如下:

1) 通过开展不同加热温度(510、520、530 ℃)和不同保温时间(8、16、24 h)的固溶处理实验,获得了最合理的固溶处理制度为520 ℃×16 h,此时合金内的大部分块状相溶解,同时晶粒未出现明显长大。

2) 经过固溶处理后的合金进行200 ℃时效8、32、56 h处理,在时效32 h时合金达到峰时效,硬度值为120.35 HV,相比固溶态提升约25 HV。合金欠时效(200 ℃×8 h)主要析出相为β″相,峰时效(200 ℃×32 h)的主要强化效果来自β′相,过时效后(200 ℃×56 h)合金析出稳定的β-Mg5(Gd,Y,Zn)相。