連全勇 王立新 袁 峰 胡文鑫 吳廣新 張捷宇
(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444; 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444;2. 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,驅(qū)動(dòng)部,上海 201208;4.包頭稀土研究院白云鄂博稀土資源研究與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 包頭 014030)
航空航天、汽車用的材料,不僅要求質(zhì)量輕,而且還應(yīng)具有高導(dǎo)熱性和高強(qiáng)度。鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)材料,因其比強(qiáng)度和剛度高、導(dǎo)熱系數(shù)高、電磁屏蔽性能好而備受關(guān)注。純鎂的導(dǎo)熱系數(shù)僅次于銀、銅和鋁,然而,鎂合金由于化學(xué)活性高、耐蝕性差和成本高,限制了其發(fā)展[1]。稀土元素可顯著提高鎂合金的耐熱性,還能細(xì)化晶粒,改善合金組織,從而提高鎂合金的力學(xué)性能。此外,稀土鎂合金導(dǎo)熱性、塑性好,耐蝕性好,高溫強(qiáng)度高,抗蠕變性能好[2]。
La、Ce輕稀土在自然界中往往共生在一起,在鎂合金中的固溶度較小,少量混合加入能顯著提高鎂合金的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。我國鎂資源儲(chǔ)量豐富,居世界第一,稀土資源約占世界已探明儲(chǔ)量的80%以上[3],因此稀土鎂合金具有十分廣闊的發(fā)展前景。
將純Mg、純Zr、Mg- Ce、Mg- La和Mg- Zn中間合金置于坩堝中,在SF6+N2混合保護(hù)氣氛中升溫至670 ℃熔融制備合金。用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測定合金的化學(xué)成分,結(jié)果見表1。由于非平衡凝固以及溶質(zhì)再分配,鑄錠中易形成晶內(nèi)偏析和區(qū)域偏析。為消除或減輕偏析,對(duì)鑄錠進(jìn)行了均勻化處理,工藝為450 ℃保溫12 h風(fēng)冷。將均勻化處理后的鑄錠加工成尺寸100 mm×40 mm×10 mm的板材試樣。將試樣在370、410、450 ℃預(yù)熱30 min后在小型軋機(jī)設(shè)備(軋輥可加熱)上軋制,軋制道次為5道次,軋制總變形量為55%,軋輥溫度為220 ℃,軋制速度為0.027 m/s,道次回爐保溫時(shí)間為10 min。軋制后進(jìn)行退火處理,工藝為300 ℃保溫60 min。
表1 鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
試樣經(jīng)過機(jī)械拋光后,用苦味酸溶液(苦味酸3 g+乙酸15 ml+無水乙醇50 ml+蒸餾水10 ml)進(jìn)行腐蝕,然后采用掃描電鏡觀察微觀組織。
采用X射線衍射儀對(duì)合金的物相進(jìn)行分析。根據(jù)GB/T 228.1—2010加工拉伸試樣,以0.01 mm/s速率在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),對(duì)每個(gè)試樣做3次平行試驗(yàn),取平均值。
從鑄態(tài)、軋制態(tài)和軋制退火態(tài)(沿軋制方向)試樣上分別切取尺寸為φ12.7 mm×2 mm的試樣,用于測量合金的熱擴(kuò)散率。采用耐馳LFA447激光導(dǎo)熱儀在室溫下測量合金的熱擴(kuò)散率,測量3次取平均值。通過差示掃描量熱法(DSC)測量合金的比熱容,試樣尺寸為φ5 mm×0.6 mm,測試溫度范圍為室溫~250 ℃。采用密度測試儀測量合金的密度。導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算公式為:
λ=α·ρ·Cp
式中:α是熱擴(kuò)散率,mm2/s;ρ是密度,g/cm3;Cp是在恒定壓力下的比熱容,J/(g·K)。
鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金主要由鎂基體(α- Mg)及第二相組成,第二相主要分布在晶界。為了進(jìn)一步確定第二相的成分,對(duì)試樣進(jìn)行電鏡能譜點(diǎn)分析,結(jié)果如圖1和表2所示。
圖1 鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的掃描電鏡圖和能譜點(diǎn)掃位置
表2 鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
從表2可以看出,鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金主要由鎂基體及共晶第二相組成;晶界呈網(wǎng)狀分布且顏色較淺的第二相由Mg- La、Mg- Ce中間化合物組成,La與Ce的質(zhì)量比約為1∶1,質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%左右,可以推測第二相成分為LaMg12和CeMg12。
圖2為鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的XRD衍射圖譜,可見合金中除了含有α- Mg相的衍射峰外,還含有LaMg12、CeMg12相的衍射峰,進(jìn)一步驗(yàn)證了中間化合物為LaMg12和CeMg12相。
圖2 鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的XRD譜圖
鑄態(tài)、軋制態(tài)和軋制退火態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的SEM照片如圖3所示。試樣經(jīng)過軋制變形后,在應(yīng)力作用下,發(fā)生了再結(jié)晶,晶粒為細(xì)小而均勻的等軸晶,軋制后還產(chǎn)生了孿晶。退火處理后,晶粒尺寸略微增大,孿晶數(shù)量減少。
圖3 鑄態(tài)、軋制態(tài)和軋制退火態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的顯微組織
圖4為鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線。可見,鑄態(tài)鎂合金的抗拉強(qiáng)度為136 MPa,斷后伸長率為8.8%,拉伸過程無明顯屈服階段,抗拉強(qiáng)度較低,很難滿足使用要求。軋制態(tài)和軋制退火態(tài)試樣的拉伸曲線與鑄態(tài)的相似,拉伸性能的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。
圖4 鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線
從圖5可知,在相同溫度下軋制,試樣的抗拉強(qiáng)度隨著軋制道次的增加而升高。在450 ℃軋制5道次的合金,抗拉強(qiáng)度達(dá)到223.3 MPa,比鑄態(tài)合金提高了64.2%。由于在軋制過程中合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,獲得了細(xì)小而均勻的等軸晶,從而使抗拉強(qiáng)度升高。隨著軋制溫度的升高,試樣的抗拉強(qiáng)度升高。這是因?yàn)殡S著軋制溫度的升高,鎂合金滑移系被激活,達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的臨界驅(qū)動(dòng)力,合金發(fā)生大量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,變形性能大大提高[6]。在相同溫度下軋制,試樣的斷后伸長率隨著軋制道次的增加先降低后升高。
從圖5還可以看出,對(duì)于軋制退火態(tài)試樣,當(dāng)軋制溫度相同時(shí),抗拉強(qiáng)度隨著軋制道次的增加先升高后降低。抗拉強(qiáng)度從第1道次到第4道次不斷提高,在370 ℃軋制4道次后達(dá)到201.7 MPa,比鑄態(tài)合金提高了48.3%;5道次軋制后,抗拉強(qiáng)度略有下降。軋制溫度越高,軋制相同道次的合金的抗拉強(qiáng)度越高。軋制退火態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度低于軋制態(tài)合金。在相同軋制溫度下,軋制道次越多,退火后試樣的斷后伸長率越高,軋制溫度越高,軋制相同道次的合金斷后伸長率越高。但與軋制態(tài)試樣相比,軋制退火態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度略低。由顯微組織可知,軋制退火態(tài)合金的晶粒尺寸增大,從而導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度略有降低。
圖5 鑄態(tài)、軋制態(tài)及軋制退火態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的力學(xué)性能
根據(jù)熱傳導(dǎo)理論,合金的導(dǎo)熱系數(shù)為電子導(dǎo)熱和聲子導(dǎo)熱的累加[7]。相關(guān)研究表明[8- 10]:Mg基體中固溶原子含量的減少可大幅度提高合金的導(dǎo)熱性,而固溶原子與基體間的共格界面會(huì)引起嚴(yán)重的晶格畸變,進(jìn)而縮短傳熱電子的平均自由程,使導(dǎo)熱系數(shù)下降。La在Mg中的固溶度較小,300 ℃時(shí)僅為0.07%(原子分?jǐn)?shù),下同);Ce在Mg中的固溶度也很小,在共晶溫度592 ℃時(shí)的最大固溶度僅為0.092%[11]。
鑄態(tài)、軋制態(tài)和軋制退火態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的熱導(dǎo)率如圖6所示??梢?70 ℃軋制態(tài)合金的熱導(dǎo)率均低于鑄態(tài)合金(121.274 W/(m·K)),這與較低溫度軋制時(shí)孿晶、位錯(cuò)、空位及間隙原子等缺陷增多有關(guān)。410和450 ℃軋制態(tài)合金的熱導(dǎo)率均高于鑄態(tài)合金。其原因是提高軋制溫度,再結(jié)晶和晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力增大,晶粒尺寸增大,晶界面積比例下降。晶界是電子和聲子的散射源,晶界比例下降使散射源減少,合金的熱導(dǎo)率提高[12- 13]??傮w來看,在410 ℃軋制不同道次的合金的熱導(dǎo)率較高,3道次軋制的最高,達(dá)146.678 W/(m·K),比鑄態(tài)合金提高了20.9%。
從圖6還可以看出,370 ℃軋制退火態(tài)合金的熱導(dǎo)率明顯高于其軋制態(tài)的,并且明顯高于鑄態(tài)合金。這是因?yàn)橥嘶鹛幚硎构倘苡阪V基體中的原子析出,形成析出相,大大降低了固溶原子對(duì)電子的散射作用,從而使熱導(dǎo)率上升[8]。410和450 ℃軋制退火態(tài)合金的熱導(dǎo)率明顯高于鑄態(tài)合金,但相比軋制態(tài)變化不明顯,這是因?yàn)楦邷叵鹿倘芪龀鲇邢蕖?/p>
圖6 鑄態(tài)和軋制態(tài)及軋制退火態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金的導(dǎo)熱性能
(1)鑄態(tài)Mg- 1RE- 0.5Zn- 0.5Zr合金主要由鎂基體(α- Mg)和LaMg12、CeMg12第二相組成,La和Ce元素主要偏聚于晶界,晶粒較粗大。經(jīng)過軋制變形后,合金發(fā)生了再結(jié)晶,晶粒細(xì)化,退火后晶粒略微長大。
(2)鑄態(tài)鎂合金的抗拉強(qiáng)度為136 MPa,450 ℃軋制態(tài)的高達(dá)223.3 MPa,比鑄態(tài)提高了64.2%。軋制退火態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度略低于軋制態(tài)合金。鑄態(tài)鎂合金的斷后伸長率為8.8%,軋制態(tài)合金的斷后伸長率略有下降,最高為7.3%。退火處理后,斷后伸長率顯著提高,450 ℃軋制退火態(tài)合金的斷后伸長率高達(dá)8.9%。
(3)鑄態(tài)鎂合金的熱導(dǎo)率為121.274 W/(m·K),410和450 ℃軋制態(tài)合金的熱導(dǎo)率均高于鑄態(tài)合金;410 ℃軋制不同道次合金的熱導(dǎo)率較高,3道次軋制的最高,達(dá)146.678 W/(m·K),比鑄態(tài)合金提高了20.9%。370 ℃軋制退火態(tài)合金的熱導(dǎo)率明顯高于軋制態(tài)和鑄態(tài)合金,410和450 ℃軋制退火態(tài)合金的熱導(dǎo)率明顯高于鑄態(tài)合金,但相比軋制態(tài)合金變化不明顯。