賀 雷，柳 偉，宗喜梅，許春香，牛曉峰，張金山

（太原理工大學(xué),山西太原 030024）

0 引言

稀土鎂合金除具有鎂合金的固有優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)還兼具高溫強(qiáng)度高、抗蠕變性能優(yōu)良及耐熱性能好等新特點(diǎn)，并具有良好的塑性和耐腐蝕性，在航空航天業(yè)應(yīng)用中很有發(fā)展前景[1,2]。隨著對(duì)稀土鎂合金的深入研究發(fā)現(xiàn)，在Mg-RE-TM (RE=Y、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Tb，TM=Zn、Cu、Ni、Co) 及Mg-Al-Gd中能夠形成6H、10H、14H、18R 或24R 類型的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)[3,4,5]。長(zhǎng)周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(LPSO)作為鎂合金中的一種新型有效增強(qiáng)相，能顯著改善合金的強(qiáng)度和塑性，因而受到廣泛的關(guān)注。

2005 年Matsuura 等在快速凝固的條帶狀Mg98Y1Cu1合金中發(fā)現(xiàn)存在14H 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)[6]，首次發(fā)現(xiàn)了Cu 元素也能參與到長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的形成。2006 年Kawamura 等報(bào)道了在鑄態(tài)Mg97Y2Cu1合金中發(fā)現(xiàn)了18R 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，合金的屈服強(qiáng)度為120 MPa，抗拉強(qiáng)度為180 MPa，延伸率為3.5%，雖然合金的鑄態(tài)力學(xué)性能較差，但是和Mg-RE-Zn 合金相同，通過(guò)擠壓能夠極大地提高合金的力學(xué)性能[7]。鎂合金中添加Cu 元素，既能提高合金強(qiáng)度也能改善塑性[8]，但在含長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的Mg-RE-Cu 研究中，目前主要側(cè)重于Mg-Y-Cu 合金，對(duì)Cu 參與到Mg-Gd 合金的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相中還未見(jiàn)報(bào)道。本文作者采用常規(guī)金屬型鑄造方法制備了Mg96Gd3Cu1(a%)合金，并對(duì)合金熱處理前后的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相變規(guī)律及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)步驟

合金的化學(xué)成分如表1 所示，合金熔煉的原料為 純Mg (w=99.99%)、純Gd (w=99.99%) 和 純Cu(w=99.99%)，在N2(φ=97.4%)和CH2FCF3(φ=2.6%)的混合氣體保護(hù)的坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉。在1023 K (750℃)下保溫20 min，當(dāng)溶液降至993 K (720℃)時(shí)在金屬鑄型中澆注成鑄錠。T4 和T6 處理均在SX2-8-10 箱型高溫電阻爐中進(jìn)行，固溶處理溫度為753 K (480℃)，保溫時(shí)間為30 h，采用熱水水淬處理。T6 處理為固溶處理后在473 K (200℃)進(jìn)行時(shí)效處理，保溫時(shí)間為50 h，也采用熱水水淬處理。

使用光學(xué)顯微鏡(Leica DM2500M)對(duì)鑄態(tài)和熱處理態(tài)合金的顯微組織進(jìn)行觀察，觀察前用1%的硝酸酒精對(duì)合金進(jìn)行腐蝕。物相組成分析使用X-射線衍射儀(XRD,DX-2700)，選用的靶材為Cu 靶。采用了配有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡對(duì)合金的顯微組織和相成分進(jìn)行測(cè)定。使用DNS100型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。布氏硬度的測(cè)量使用HB-300 測(cè)試機(jī)，加載載荷為62.5 kg，時(shí)間為15 s。

表1 合金的化學(xué)成分 (w%)

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的顯微組織

合金的鑄態(tài)、T4 態(tài)和T6 態(tài)的金相組織如圖1所示。圖1.a～c 為 鑄態(tài)、T4 和T6 態(tài)Mg96Gd3Zn1(a%)合金的金相顯微圖，圖1.d 為鑄態(tài)合金的背散射(BSE)顯微圖。

圖1 合金的鑄態(tài)、T4態(tài)和T6態(tài)金相組織

合金中均可觀察到明顯的枝晶。圖1.a 顯示鑄態(tài)合金由鎂基體和晶界處的第二相組成，合金中未觀察到Mg-Y-Zn，Mg-Gd-Zn 等合金中類似的網(wǎng)狀共晶組織。T4 和T6 態(tài)合金均由鎂基體、晶界處的灰色塊狀相及從塊狀相邊界向晶內(nèi)生長(zhǎng)的層片狀相組織。圖1.d 的背散射掃描圖顯示鑄態(tài)合金的第二相由兩種不同的相A 和相B 組成，它們屬于晶間偏析型離異共晶。

圖2 鑄態(tài)、T4態(tài)、T6態(tài)合金的XRD圖譜

圖2 為合金的XRD圖譜，鑄態(tài)合金的主要衍射峰對(duì)應(yīng)的物相 為α-Mg、M g5G d 和LPSO 相(與已有研究的14H 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相Mg12YZn 衍射峰的位置相同)。T4 和T6 態(tài)合金的主要衍射峰對(duì)應(yīng)的物相為α-Mg 和LPSO相，Mg5Gd 相的衍射峰變的很弱。說(shuō)明在固溶處理的過(guò)程中Mg5Gd 相發(fā)生了溶解，而T6 態(tài)和T4 態(tài)相比，并沒(méi)有發(fā)生明顯相變。圖3 為T6 態(tài)合金低倍和高倍的SEM 組織圖片，如圖3.b 所示，晶界處有邊緣比較光滑的深灰色塊狀C 相，邊緣生長(zhǎng)為層片狀的灰色D 相及分布在晶界和鎂基體內(nèi)的亮白色小塊狀E 相。結(jié)合表2 中各相的EDS 成分分析可知，鑄態(tài)合金的A 相為Mg5Gd，B 相為14H 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的Mg88Gd5.8Cu6.2。T4、T6 態(tài)合金的C 相為Mg87.8Gd6.0Cu6.2，D 相為Mg91.7Gd6.4Cu1.9，E 相為富稀土相（常見(jiàn)于稀土鎂合金中，形貌一般為方塊狀[9]）。由于T4、T6 態(tài)合金的XRD 的相應(yīng)峰只有α-Mg和LPSO 相，結(jié)合D相的層片狀形貌(長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的典型形貌)，認(rèn)為D相為固溶處理過(guò)程中析出的LPSO 相。C 相和B 相化學(xué)成分相近，這與14H 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相具有較高的穩(wěn)定性相符，鑄態(tài)形成的LPSO 相在固溶處理前后形貌和成分未發(fā)生變化。固溶處理過(guò)程中，Mg5Gd 相逐漸發(fā)生溶解，由于晶界富集著溶質(zhì)原子，晶界與晶內(nèi)存在著濃度差，新的LPSO 相首先在晶界處形核，伴隨著固溶處理過(guò)程，生成長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的Mg91.7Gd6.4Cu1.9相。

圖3 T6態(tài)合金的低倍和高倍掃描組織圖片

2.2 合金的力學(xué)性能

圖4 顯示了鑄態(tài)、T4 態(tài)和T6 態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度、布氏硬度和伸長(zhǎng)率。

鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和布氏硬度均最低，大約為145 MPa、2%和87.2 HB。固溶處理以后，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有所提高，分別為161 MPa 和2.6%，但布氏硬度略有下降，為86.3 HB。這是由于Mg5Gd 是一種硬脆相，且高溫穩(wěn)定性不夠高，而LPSO 相屬于強(qiáng)韌相，固溶處理后生成層片狀的LPSO 相既相當(dāng)于增加了合金中LPSO 相的體積分?jǐn)?shù)，又增加了鎂基體與LPSO 相之間界面的數(shù)量，Shao 等認(rèn)為新形成的界面可以成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，從而利于合金性能的提高[10]。長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相的層片狀結(jié)構(gòu)在位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)能夠形成位錯(cuò)平面塞積群，當(dāng)造成的應(yīng)力集中夠大時(shí)，才會(huì)引起基體的塑性變形，而且層片狀長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)也可以發(fā)生彎曲變形吸收位錯(cuò)，表現(xiàn)出一定的變形能力，所以對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性都有利。但較高溫度的固溶處理使合金晶粒粗化，根據(jù)Hall-Petch 公式，晶粒的粗化使得合金的布氏硬度降低。T6 態(tài)合金的綜合性能得到較大的提高，相比于鑄態(tài)合金，抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和布氏硬度分別增加了87 MPa、1.4%和20.8 HB。已有研究表明T6 處理時(shí)Mg-RE 合金中能夠形成細(xì)小彌散的β 相（由于含量較少，本文XRD 圖譜中并沒(méi)有出現(xiàn)明顯相應(yīng)的衍射峰），它具有顯著的時(shí)效硬化效果[11]，可以作為強(qiáng)化相強(qiáng)化。而且固溶后的合金經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效后，合金的強(qiáng)化相能夠更好的分布于基體中，使合金的固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化得到充分的發(fā)揮，因此T6 態(tài)合金表現(xiàn)出較好的綜合性能。

表2 合金中不同相的化學(xué)成分組成

3 結(jié)論

(1)鑄態(tài)Mg96Gd3Cu1(a%)合金即存在14H 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相，T4 態(tài)和T6 態(tài)合金中有新的層片狀Mg92Gd6Cu2長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)形成。

圖4 鑄態(tài)、T4態(tài)和T6態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度、布氏硬度和伸長(zhǎng)率

(2)鑄態(tài)合金中的14H 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相具有較高的穩(wěn)定性，在固溶處理過(guò)程中形貌和成分未發(fā)生變化。Mg5Gd 相在固溶處理時(shí)發(fā)生溶解，并在相應(yīng)位置析出層片狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相從而提高了合金的性能。

(3)T6 處理后由于長(zhǎng)周期相和時(shí)效硬化的復(fù)合作用，T6 態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和布氏硬度分別達(dá)到232 MPa、3.4%和108 HB。

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