稀土元素对耐热镁合金显微组织及力学性能的影响

孟 利，刘凯华，邓姜哲，郭松阳，张 波，孙铭璇

(1.钢铁研究总院 冶金工艺研究所，北京 1000812.北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144)

0 背景

随着工业发展中对轻量化要求的增长，具有低密度的镁合金成为一大关注热点。同时，镁合金还具有弹性模量较低、滞振性较好、减震性能好、导电导热性能良好、工艺性能好等特点[1-5]。然而，镁合金在使用过程中仍存在一些不可忽视的限制条件，如耐热性差、抗疲劳性差、变形能力差、成型能力差等缺点，极大的限制了镁合金在航空航天、电子产品、汽车行业等领域的应用[6-8]。目前在室温条件下，部分镁合金体系已经具备了优异的强度，但随着使用温度的提升，大部分镁合金性能会急速下降，极大地限制了高强镁合金在高温情况下的应用，因此，发展高强耐热镁合金体系是非常有必要的[9]。

对于镁合金耐热性的改善，添加稀土元素是目前最常用也是最有效的方法。稀土元素与镁都是密排六方晶体结构，大部分稀土元素的原子半径与镁相差小于15%，电负性变化范围大，故稀土元素在镁中的固溶度较高，从而在镁合金中具有较强的固溶强化、沉淀强化、晶界强化等作用，从而提高镁合金的室温及高温力学性能[10-14]。同时在镁合金体系中，适量添加Zr元素，可以起到明显的细晶强化作用[15-16]。本研究以添加复合稀土(MM)的两种稀土镁合金Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM合金为研究对象，对比讨论稀土元素种类对耐热镁合金微观组织及力学性能的影响。

1 试验材料和方法

实验材料为Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM的热挤压圆棒材，直径Φ20 mm，均属于使用稀土元素改善的高强、耐热镁合金体系，其化学成分见表1，其中MM为富Ce复合稀土。

表1 耐热镁合金的化学成分(质量分数%)

对两种镁合金热挤压棒材，进行线切割取样，试样经磨制、电解抛光和化学腐蚀，然后观测横截面(与棒材轴线垂直的面)的显微组织形貌，其中电解抛光液为5%高氯酸酒精，侵蚀液为苦味酸酒精溶剂。采用GX51倒置式金相显微镜(OM)和FEI Quanta 650FEG热场发热扫描电子显微镜(SEM)观测显微组织形貌；采用SEM观测拉伸试样的断口形貌；采用SEM附带的能谱仪(EDS)对试样特定区域进行元素分析。拉伸试样尺寸规格依照国家标准GB/T 16865—2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》，拉伸实验使用WDT10拉伸试验机，拉伸温度分别为室温225℃和300℃；采用EV500-2A半自动维氏硬度计测试合金的硬度值，加载力5000 gf，保载时间为10 s。

2 试验结果与分析2.1 稀土元素种类对耐热镁合金显微组织的影响

含不同稀土元素耐热镁合金的金相显微组织如图1所示。由图1可以看出，Mg-Gd-Zr-MM合金的平均晶粒稍大，经统计Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM的平均晶粒尺寸分别为13.71 μm和12.42 μm，与含Gd元素合金相比较，含Y元素合金的晶粒尺寸要小9.4%。图中黑色颗粒应为第二相粒子，可以看出含Gd元素的合金中黑色颗粒尺寸较大，且分布不均匀。而含Y元素的合金中第二相粒子尺寸较小，且均匀分布在晶界周围，因此Y元素对晶粒的细化作用更强。

图1 含不同稀土元素耐热镁合金的显微组织分析(a) Mg-Gd-Zr-MM；(b) Mg-Y-Zr-MM

耐热镁合金中典型第二相的形貌及成分分析如图2所示。由图2可以看出，含Gd第二相粒子的形状为圆球状，含Y第二相粒子的形状为短棒状，其中含Y第二相粒子的尺寸明显小于含Gd第二相粒子尺寸，这说明Y元素的弥散强化效果更好。

图2 耐热镁合金中稀土元素第二相粒子的微观形貌及成分分析(a)(c) Mg-Gd-Zr-MM试样中粒子形貌与能谱分析；(b)(d) Mg-Y-Zr-MM试样中的粒子形貌与能谱分析

2.2 稀土元素种类对耐热镁合金力学性能的影响

含不同稀土元素耐热镁合金的硬度如表2所示。由表2可以看出，含Y元素耐热镁合金硬度略高，这主要是因为含Y元素第二相粒子尺寸小、在基体中分布均匀、弥散强化作用明显的原因。

表2 含不同稀土元素耐热镁合金的硬度(HV)

含不同稀土元素耐热镁合金不同温度下的拉伸应力-应变曲线及相应拉伸力学性能分别如图3和表3所示。两种材料在300℃拉伸时在屈服之前出现“拐点”，是测试时卸装引伸计造成的。由图3和表3可以看出：稀土镁合金的抗拉强度和屈服强度均明显优于普通镁合金，且含Y元素耐热镁合金在不同温度下的抗拉强度和屈服强度均高于含Gd元素耐热镁合金。结合图4所示的含不同稀土元素耐热镁合金的断口分析可以看出：两种合金的断裂表面形貌都为韧窝状，为典型的塑性断裂特征。在韧窝中心观察到含稀土第二相粒子，应力在这些粒子附近集中，引起裂纹的萌生，为裂纹在晶界的扩展提供路径，从而导致合金塑性降低。图4e、图4f为韧性断口形貌中优先断裂的第二相形貌，由其EDS能谱分析可以看出断口处的第二相分别为含两种稀土元素与镁元素形成的脆性第二相粒子。含Y元素耐热合金中稀土第二相颗粒小、分布均匀，第二相粒子周围应力集中不明显，塑性较好。

图3 含不同稀土元素耐热镁合金不同温度下拉伸实验的应力-应变曲线图(a) Mg-Gd-Zr-MM；(b) Mg-Y-Zr-MM

表3 耐热镁合金在不同温度下的拉伸力学性能

续表

图4 含不同稀土元素耐热镁合金室温拉伸断口形貌及相应第二相粒子分析(a)(c) Mg-Gd-Zr-MM试样断口的低倍和高倍SEM图；(b)(d) Mg-Y-Zr-MM试样断口的低倍和高倍SEM图；(e) (c)区域特征点对应能谱；(f) (d)区域特征点对应能谱

3 结论

本文对热挤压镁合金Mg-Gd-Zr-MM和Mg-Y-Zr-MM开展了对比分析，得出如下结论：

(1)在相同的热挤压条件下Y元素的晶粒细化作用更强，本实验含Gd耐热镁合金和含Y耐热镁合金的平均晶粒尺寸分别为13.71 μm和12.42 μm;

(2)稀土元素在合金中主要形成Mg-Re第二相，其中Gd元素形成尺寸较大的球状第二相，Y元素形成尺寸较小的棒状第二相，Y元素形成的第二相分布较为均匀;

(3)含Y稀土元素耐热镁合金的室温硬度、不同温度的屈服强度、抗拉强度均优于含Gd稀土元素耐热镁合金；两种合金断裂的原因均表现为含稀土元素第二相处萌生裂纹。