張 浩，張緒虎，杜志惠，周曉建，陰中煒，王少華，朱秉誠

(1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076;2.航天材料及工藝研究所，北京 100076;3.空間物理重點實驗室，北京 100076)

鎂合金的密度僅相當(dāng)于普通航空鋁合金密度的65%左右，如果能在航天器結(jié)構(gòu)中獲得較為普遍的應(yīng)用，能夠產(chǎn)生顯著降低其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的作用［1-5］.但是，現(xiàn)有變形鎂合金材料強度與使用溫度較低，嚴(yán)重局限了其在航天飛行器上的使用.

稀土加入鎂合金中，可細(xì)化合金組織，降低合金在液態(tài)和固態(tài)下的氧化傾向，并且?guī)砉倘軓娀臀龀鰪娀男Ч瑥亩嵘齻鹘y(tǒng)鎂合金強度、工作溫度、耐蝕性等［6-9］.新型混合稀土強化的高強耐熱鎂合金，其實驗室級室溫強度性能數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了500 MPa以上，但是其鍛件規(guī)格較小，距離航天大型構(gòu)件的實際應(yīng)用要求有較大的差距.為了滿足航天飛行器對結(jié)構(gòu)減重的迫切需求，亟需突破高性能大型鎂合金鍛件的制備技術(shù).本文對混合稀土強化的新型高強耐熱鎂合金大型鍛件的組織性能及其斷裂行為展開了研究，研究結(jié)果對變形鎂合金在航天飛行器上的應(yīng)用將產(chǎn)生有力的推動作用.

1 實驗

本實驗合金采用中頻電磁感應(yīng)熔煉爐進行熔煉，純鎂在坩堝中熔化，750℃加入 Y、Gd和Nd純金屬塊，升溫至820℃加入Mg-30Zr中間合金，靜置20 min，同時加大電磁攪拌功率，隨后降溫至720℃澆鑄，車去外表皮和冒口，得到鑄錠尺寸為Φ600 mm×800 mm，合金成分見表1.鑄錠經(jīng)均勻化處理后，在液壓機上進行三向鍛造，最終通過熱擠壓得到大型環(huán)鍛件(圖1)的尺寸為外徑800 mm、內(nèi)徑600 mm、高400 mm.隨后，對鍛件進行人工時效處理，時效制度為250℃ ×7 h.

試驗中的金相試樣用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，微觀組織觀察分別在光學(xué)顯微鏡和配有能譜分析儀的掃描電鏡下進行;材料的拉伸性能在MTS-810型萬能試驗機上測定，拉伸速度為1 mm/min;利用掃描電鏡對拉伸斷口進行研究.

表1 合金化學(xué)成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 高強耐熱鎂合金工業(yè)級大型鍛環(huán)

2 結(jié)果與分析

2.1 組織分析

鍛件的顯微組織圖2所示.由圖2可看出，合金由α-Mg基體和大量細(xì)小均勻分布的析出相構(gòu)成，α-Mg基體平均晶粒尺寸在12 μm左右，析出相在晶內(nèi)晶界處無擇優(yōu)析出傾向.通過XRD分析顯示，除基體外，合金主要的析出相為Mg24Y5、Mg5Gd，并且存在少量的Zr.針對圖2(c)中3個顆粒尺寸較大的白色襯度相的能譜分析表明，這些顆粒富含元素Y，并且含有少量的Gd.根據(jù)先前的研究結(jié)果顯示，這些顆粒應(yīng)當(dāng)是均勻化的過程中未完全固溶入基體的共晶組織殘留.均勻化過程中，共晶組織由原始的骨骼狀形態(tài)分布于晶粒間，逐漸轉(zhuǎn)變成為小的顆粒狀相，有研究表明，這種顆粒相是由Mg5(GdY)相轉(zhuǎn)變而來［10］.針對圖2(d)中圓形白色襯度顆粒的能譜分析表明，這些截面為圓形的顆粒為Zr，這表明Zr的添加除了在凝固過程中起到了凝固形核作用之外，在時效過程中也以析出相的形態(tài)存在.

圖2 鍛環(huán)的顯微組織

2.2 力學(xué)性能分析

經(jīng)過多向鍛造過程及隨后的時效處理，高強耐熱鎂合金的力學(xué)性能得到了大幅的的提高，但是由于鍛造過程中沿著環(huán)向和高度方向變形程度不同，因此，一定程度上形成了變形織構(gòu)，從而使得鍛環(huán)的力學(xué)性能出現(xiàn)明顯的各向異性.

由圖3可以看到，沿著鍛環(huán)的高度方向，其室溫抗拉強度達(dá)到了340 MPa，屈服強度達(dá)到了247 MPa，延伸率達(dá)6.7%;即使在250℃的高溫條件下，該材料的抗拉強度依然高達(dá)250 MPa，屈服強度高達(dá)200 MPa.

在更高的變形溫度下，高強耐熱鎂合金的強度快速下降，延伸率大幅提升.這表明高強耐熱鎂合金已經(jīng)達(dá)到了與部分鋁合金強度相當(dāng)?shù)牡夭?，并且其耐高溫性能也可以和鋁合金相媲美.

鍛環(huán)的環(huán)向室溫力學(xué)性能相對較低，室溫抗拉強度為288 MPa，屈服強度240 MPa，延伸率為3.33%.但是隨著溫度的升高，可以看到，環(huán)向的力學(xué)性能降低相對高向要緩慢的多.200℃條件下，環(huán)向與高度方向的力學(xué)性能基本已經(jīng)持平，更高的變形溫度下，環(huán)向反而呈現(xiàn)出較高的抗拉性能.

圖3 鍛環(huán)的力學(xué)性能

由此可見，高強耐熱鎂合金作為一種耐熱結(jié)構(gòu)材料，其較低的密度指標(biāo)，較高的強度性能指標(biāo)，較高的耐溫指標(biāo)，必將在室溫至250℃范圍內(nèi)替代部分鋁合金及鈦合金成為航天飛行器結(jié)構(gòu)輕量化的新一代結(jié)構(gòu)材料.

2.3 斷口分析

從圖4鍛環(huán)高向拉伸斷口圖可以看到，在低于200℃的條件下，高強耐熱鎂合金斷口表面呈現(xiàn)出韌性和脆性的混合型斷裂的特征，其主要的斷裂方式為穿晶脆斷，斷口表面存在少量的撕裂棱.當(dāng)變形溫度達(dá)到了200℃，可以看到，斷口特征產(chǎn)生了顯著的改變，其斷口表面的撕裂棱大量增大，并產(chǎn)生了大量韌窩斷裂的特征.

隨著變形溫度繼續(xù)提高到300℃，如圖4(e)所示，可以看到斷口表面出現(xiàn)了大量的空洞，由此可知，此時材料的斷裂方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩聚集形斷裂，其延伸率得到了大幅度的提升.

從圖5可以看到，與高向拉伸斷口相比，環(huán)向拉伸斷口在變形溫度低于200℃的條件下，呈現(xiàn)出更多準(zhǔn)解理斷裂的特征，其斷口表面的撕裂棱的數(shù)量更為稀少，這與其較低的室溫塑性相對應(yīng).隨著變形溫度的提高至200℃，這種斷裂的特征依然沒有明顯的改善，這一點從材料延伸率的對比中也可以得到驗證.隨著溫度進一步提高至250℃，其表面的才呈現(xiàn)出一定量的韌窩斷裂的特征，但是比高向斷口依然呈現(xiàn)更多的準(zhǔn)解理特征.當(dāng)變形溫度高達(dá)300℃，其斷裂特征基本與高向斷口相同，轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩聚集形斷裂.

圖4 高強耐熱鎂合金鍛環(huán)高向拉伸斷口形貌

圖5 高強耐熱鎂合金鍛環(huán)環(huán)向拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1)固溶處理不能完全消除晶間稀土相的存在，這些稀土相最終以Mg24Y5、Mg5Gd等成分并呈現(xiàn)出顆粒形態(tài)保留下來.

2)高強耐熱鎂合金的使用溫度可以高達(dá)250℃，并且其鍛環(huán)力學(xué)性能的各向異性隨著變形溫度的提高而降低.

3)高強耐熱鎂合金在低于250℃時，其斷口呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理和韌性撕裂的混合特征，隨著溫度的升高，韌性斷裂的比重逐漸加大，當(dāng)變形溫度提高到300℃時，呈現(xiàn)出韌窩聚集形斷裂特征.

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