劉博書，李洪曉，任玉平，蔣　敏，秦高梧

(東北大學材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室，沈陽110819)

?

Mg91.4Zn7.2Y1.4合金中的相變及相平衡

劉博書，李洪曉，任玉平，蔣敏，秦高梧

(東北大學材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室，沈陽110819)

采用熱分析以及合金平衡組織結(jié)構(gòu)分析，對Mg-Zn-Y系Mg91.4Zn7.2Y1.4合金中的相變及其相關(guān)相平衡進行了研究.結(jié)果表明，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在440 ℃時處于α-Mg固溶體和準晶I的兩相平衡；450 ℃ 時處于α-Mg固溶體、液相Liq和三元化合物W的三相平衡.Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在446.8 ℃時發(fā)生了I+α-Mg→Liq+W四相包共晶轉(zhuǎn)變.溫度超過477.3 ℃，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金中W相不再穩(wěn)態(tài)存在，500 ℃ 時合金處于α-Mg和液相兩相平衡.

Mg-Zn-Y系；相變；相平衡

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，有著非常廣闊的應用前景和研究價值，但缺少有效強化相是Mg基合金設計中的突出問題.Mg-Zn系合金可通過時效強化來顯著地增強合金強度，稀土元素的進一步添加可形成種類較多的化合物、且熔點較高，是產(chǎn)生第二相強化效應的最有效方式[1].Mg-Zn-Y系準晶相的發(fā)現(xiàn)[2]，為Mg基合金有效強化相的選擇開啟了新的研究方向.而平衡態(tài)的相關(guān)系以及相關(guān)相變是合金設計、工藝優(yōu)化和組織控制的基礎.目前，Mg-Zn-Y系相關(guān)相平衡和相變的實驗研究結(jié)果之間存在著較大差異，特別是有關(guān)四相轉(zhuǎn)變溫度以及三相平衡相區(qū)的研究更是存在明顯不同[3-7].雖然基于合金設計的需要、利用Calphad方法對Mg-Zn-Y系的熱力學參數(shù)進行了優(yōu)化[8-9]，但作為優(yōu)化基礎的二元和三元系相平衡數(shù)據(jù)的矛盾，導致熱力學參數(shù)可信度降低，難以對合金設計發(fā)揮切實的參照作用.

綜上所述，本研究采用合金平衡組織結(jié)構(gòu)分析法、結(jié)合熱分析，研究了Mg-Zn-Y系富Mg合金中的相平衡及相變，以期為Mg基合金組織控制和Mg-Zn-Y系精準熱力學參數(shù)的獲得提供依據(jù)，為Mg基合金設計奠定基礎.

1　實驗方法

本實驗合金Mg91.4Zn7.2Y1.4(摩爾分數(shù)，%，下同)采用高純Mg(>99.99%)、Zn(>99.999%)和Y(>99.5%)(均為質(zhì)量分數(shù))，利用中頻感應爐、高純氬氣保護，在石墨坩堝中熔制而成.合金鑄錠重約50 g.從鑄錠上切取部分試樣，用鉭箔包好后封入真空度為10-2Pa的石英管中，分別在440、450和475 ℃平衡處理20 d、15 d、10 d后水淬.利用NETZSCH404F3型差示掃描量熱儀測試合金的相變溫度，升溫速度為 10 ℃/min，加熱溫度范圍50～500 ℃.用掃描電子顯微鏡JEOL JSM-7001F進行微觀組織觀察和能譜相成分分析，加速電壓15kV.用JEOL JXA-8530F型電子探針微區(qū)成分分析儀對平衡相成分進行分析，所用電子束斑直徑為 1 μm，加速電壓 15 kV，以高純Mg，Zn和YP 5O14為標樣校正.在日本理學SmartLab型X射線衍射儀上進行相結(jié)構(gòu)分析，采用Cu靶Kα線(λ=0.1541nm)，管壓為 40 kV，管流為 200 mA，掃描范圍10(°)～100(°)，掃描速度 4(°)/min.

2　實驗結(jié)果與分析

2.1Mg91.4Zn7.2Y1.4合金的固態(tài)相平衡

Mg91.4Zn7.2Y1.4合金鑄態(tài)組織的背散射電子像如圖1(a)所示，在黑色基體組織的晶界上分布著兩相片層狀組織.能譜分析表明，黑色基體相為固溶有少量Zn原子、幾乎不含Y的α-Mg固溶體.片層組織由于尺寸太小無法準確測定其成分，根據(jù)背散射電子像的成像原理，可以推測其中的白色相應該含有較多的Zn和Y原子，而黑色相可能也為α-Mg基固溶體.

圖1　Mg91.4Zn7.2Y1.4合金顯微組織、DSC曲線以及XRD譜

Mg91.4Zn7.2Y1.4合金鑄態(tài)的DSC曲線如圖1(b)所示.升溫曲線在446.8 ℃出現(xiàn)了明顯的吸熱峰，并在450.7 ℃達到熱效應的峰值，而如此大的熱效應通常都是由熔化引起的.由此推測低于此溫度合金應該是處于固態(tài).為此取鑄態(tài)Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在440 ℃平衡處理后水淬，所獲得的平衡組織如圖1(c)所示，是由兩相組成的.與鑄態(tài)組織相比，片層狀組織形態(tài)已經(jīng)徹底消失，但是大部分的白色組織仍然分布在α-Mg基固溶體的晶界上.電子探針相成分分析表明，白色相的成分為34.1Mg-55.7Zn-10.2Y，與二十面體準晶I相[8]的成分相近；α-Mg基固溶體的成分為97.8Mg-2.1Zn-0.1Y.Mg91.4Zn7.2Y1.4合金440 ℃平衡組織的XRD譜如圖1(d)所示，可以用Mg和I相加以詮釋，這也進一步表明，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在440 ℃時是處于α-Mg和準晶I相的固態(tài)兩相平衡狀態(tài).

2.2Mg91.4Zn7.2Y1.4合金中液相相關(guān)的相平衡

Mg91.4Zn7.2Y1.4合金450 ℃的平衡組織如圖2(a)所示，在黑色的基體上分布著塊狀的白色相、以及極細的片層組織，這種極細小的片層組織形態(tài)具有快冷組織的特征.結(jié)合該合金的DSC曲線，可以得知該合金在446.8 ℃時確實發(fā)生了熔化，所形成的液相在平衡處理后淬火到室溫的過程中通過共晶轉(zhuǎn)變形成了片層狀組織.由于淬火過程的冷速較快，所形成的片層狀組織尺寸細小.由此可見，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在450 ℃時處于液相相關(guān)的相平衡.

圖2　Mg91.4Zn7.2Y1.4合金平衡態(tài)下顯微組織以及XRD譜

電子探針成分分析表明，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金450 ℃平衡組織中的黑色基體相成分為97.7Mg-2.2Zn-0.1Y，應該是α-Mg相.在α-Mg基體上分布的塊狀白色相的成分為25.9Mg-49.5Zn-24.6Y，與化合物W相的成分相似.而細片層狀組織在450 ℃時應該是處于液相狀態(tài)，其平均成分73.3Mg-23.3Zn-3.4Y應該與液相成分相當.Mg91.4Zn7.2Y1.4合金450 ℃平衡組織的XRD譜如圖2(b)所示，可以檢測到α-Mg和化合物W相的特征衍射峰；其中化合物W相具有面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.683 nm.因此，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在450 ℃時處于α-Mg、化合物W相以及液相的三相平衡.

Mg91.4Zn7.2Y1.4合金475 ℃的平衡組織如圖2(c)所示.電子探針及XRD譜分析表明，475 ℃的平衡組織也是由α-Mg、化合物W相以及液相組成的.其中黑色基體相的成分為97.6Mg-2.4Zn-0Y，是α-Mg基固溶體.白色相成分為24.2Mg-50.8Zn-25.0Y，為化合物W相.液相成分為71.1Mg-25.8Zn-3.1Y，與450 ℃時的液相成分相比，Zn含量稍有增加而Y含量幾乎不變.

Mg91.4Zn7.2Y1.4合金500 ℃平衡組織如圖2(d)所示，則是由液相和α-Mg基固溶體兩相組成，而化合物W相不再存在.

2.3Mg91.4Zn7.2Y1.4合金中的相變

Mg91.4Zn7.2Y1.4合金440 ℃時的平衡相組成為α-Mg 和準晶I相；450 ℃時的平衡相組成為α-Mg、化合物W相以及液相Liq；而Mg91.4Zn7.2Y1.4合金鑄態(tài)組織的DSC曲線在446.8 ℃出現(xiàn)了明顯的吸熱峰，即有相變發(fā)生.由相變前后的平衡組織分析可見，通過該相變，準晶I相消失，生成了化合物W和液相Liq.由于α-Mg相在反應前和反應后的組織中都存在，還需進一步判斷其是否參與該相變.

450 ℃時化合物W和液相Liq的成分分別為25.9Mg-49.5Zn-24.6Y和73.3Mg-23.3Zn-3.4Y；而440 ℃時準晶I相的成分為34.1Mg-55.7Zn-10.2Y；而且450 ℃的平衡組織中存在著大量的液相，即通過相變形成了大量的富Mg相，由此推測α-Mg相必須作為反應物參與相變.綜上，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在446.8 ℃發(fā)生了四相包共晶轉(zhuǎn)變α-Mg+I→W+Liq，而三元系中的四相轉(zhuǎn)變是一個恒溫轉(zhuǎn)變.隨后453.6 ℃發(fā)生的是α-Mg、化合物W相以及液相Liq間的三相轉(zhuǎn)變，477.3 ℃則進入了α-Mg+液相Liq兩相區(qū).

3　結(jié)　論

(1)Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在440 ℃時處于α-Mg 固溶體和準晶I的兩相平衡；450 ℃時處于α-Mg固溶體、液相Liq和三元化合物W的三相平衡.準晶I相可以和α-Mg基固溶體平衡共存至446.8 ℃.

(2)Mg91.4Zn7.2Y1.4合金在446.8 ℃時發(fā)生了I+α-Mg→Liq+W四相包共晶轉(zhuǎn)變.

(3)溫度超過477.3 ℃，Mg91.4Zn7.2Y1.4合金中W相不再穩(wěn)態(tài)存在.500 ℃時合金中α-Mg和液相兩相共存.

[1]Polmear I J.Magnesium alloys and applications [J].Materials Scinece and Technology,1991(1): 1-16.

[2]Goldman A I.Magnetism in icosahedral quasicrystals: current status and open questions[J].Science & Technology of Advanced Materials,2014,15(4).

[3]An-Pang Tsai,Yoshihiro Murakami,Akio Niikura.The Zn-Mg-Y phase diagram involving quasicrystals[J].Philosophical Magazine A,2000,80(5):1043-1054.

[4]Liu J F,Yang Z Q,Ye H Q.In situ transmission electron microscopy investigation of quasicrystal-crystal transformations in Mg-Zn-Y alloys[J].Journal of Alloys & Compounds,2015,621:179-188.

[5]Li M R,Kuo K H.Intermetallic phases and phase reactions in Zn-Mg(< 40at.%)-Y(< 20at.%)region[J].Journal of alloys and compounds,2007,432(1): 81-89.

[6]Ok J B,Kim I J,Yi S,et al.Solidification microstructure of as-cast Mg-Zn-Y alloys[J].Philosophical Magazine A,2003,83(20):2359-2369.

[7]Zhang Y,Yu S,Zhu X,et al.Study on as-cast microstructures and solidification process of Mg-Zn-Y Alloys[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2008,354(14): 1564-1568.

[8]Gr?bner J,Kozlov A,Fang X Y,et al.Phase equilibria and transformations in ternary Mg-rich Mg-Y-Zn alloys[J].Acta Materialia,2012,60(17):5948-5962.

[9]Shao G,Varsani V,Fan Z.Thermodynamic modelling of the Y-Zn and Mg-Zn-Y systems[J].Calphad-computer Coupling of Phase Diagrams & Thermochemistry,2006,30(3):286-295.

Phase transformation and relative phase equilibria in alloy Mg91.4Zn7.2Y1.4

Liu Boshu,Li Hongxiao,Ren Yuping,Jiang Min,Qin Gaowu

(Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials,Ministry of Education,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

Equilibrium microstructures,compositions and phase transformation in alloy Mg91.4Zn7.2Y1.4were investigated through the equilibrated alloy method and DSC.It was shown that alloy Mg91.4Zn7.2Y1.4is in the two-phase equilibrium consisting ofα-Mg solid solution and quasicrystal phase I at 440 ℃.While at 450 ℃,alloy Mg91.4Zn7.2Y1.4is in the three-phase equilibrium consisting ofα-Mg solid solution,liquid phase and ternary compound W.A ternary peritectic reaction I+α-Mg→Liq+W occurs at 446.8 ℃.Above 477.3 ℃,W phase is dissolved in alloy Mg91.4Zn7.2Y1.4.The two-phase equilibrium consisting ofα-Mg solid solution and liquid phase exists in alloy Mg91.4Zn7.2Y1.4at 500 ℃.

Mg-Zn-Y system; phase transformation; phase equilibrium

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.010

TG 146.22

A

1671-6620(2016)01-0128-04