稀土Y变质对过共晶合金MG-33Al合金组织的影响*

杨建东

（西安航空职业技术学院， 陕西西安710089）

镁合金以其低密度、高比强度、高比刚度、良好的减震性和切削加工性成为重要的轻质结构材料，被广泛应用于航天、航空、交通领域[1]，如飞机螺旋桨、发动机曲柄箱、仪表盘、轮毂等。由于镁合金为密排六方晶体结构，在塑性变形中可开动的滑移系较少，导致其塑性较差，另外，镁铝合金中的共晶β-Mg17Al12相[2]对合金的性能有很大影响，粗大连续的β相会降低镁合金的力学性能， 所以减少连续分布的β相，让其弥散分布在铸态组织当中是改善其机械性能的主要手段。目前，通过添加稀土元素变质，既能减少共晶相析出，还能形成稳定的金属间化合物，从而提高镁合金性能[3-5]，研究表明，稀土Y和细化AZ31的显微组织，可产生弥散分布的高熔点第二相Al2Y，从而改善镁合金的室温和高温力学性能[6-7]。通过向镁中添加Y元素得出Y的添加后形成了Mg24Y5相[8]，经过热处理后基本固溶进镁基体相，使镁合金获得最佳的强度和伸长率。通过向镁中添加Y和Zn元素[9]，镁合金中会形成LPSO结构提高其强度[10-11]，为了研究β-Mg17Al12相在凝固过程中形核长大机制以及稀土Y元素减少。为了更细致地研究Y对镁合金中共晶组织的影响规律，本文采用接近共晶成分的Mg-Al合金中添加变质剂，高铝含量成分可观察大量的共晶组织，罗红斌[12]研究了高铝镁合金组织，但并未向其中添加Y元素，这也为本文添加变质剂提供了一定的参考，有助于分析变质剂Y对共晶组织的作用机理。

1 实验材料及方法

以纯镁（99.8%）、纯铝（99.8%）、中间合金Mg-30%Y为原料，制备Mg-33Al、Mg-33Al-0.5Y、Mg-33Al-0.8Y、Mg-33Al-1.2Y合金。原料材料先用丙酮清洗再进行烘干处理，在电阻炉中进行加热并熔化，炉温到710℃时，将金属液浇注到金属型模具中，在铸锭底部取大小为1cm ×1cm试样，经不同型号砂纸抛光后，采用4%的硝酸酒精进行腐蚀。采用Nikon Epiphot光学显微镜（OM）、JSM-6700F扫描电镜（SEM）及附带的能谱仪（EDS）进行显微组织分析。采用XRD-7000S型X射线衍射仪分析合金物相组成。

2 实验结果分析

2.1 稀土Y变质对过共晶Mg-33Al合金凝固组织的影响

图1中为Y含量为0、0.5%、0.8%、1.2%的Mg-33Al合金的凝固组织金相照片，通过添加变质剂Y来观察微观组织的变化规律。

图1 Mg-33Al合金中Y含量不同的铸态金相组织Fig.1 Optical micrograph of the cast Mg-33Al alloys with different yttrium addition

通过金相照片可以看出，过共晶成分Mg-33Al加入稀土Y变质剂后，对镁-铝合金系凝固组织产生很大影响，图1（a）为Mg-33Al合金在未加入变质剂前凝固组织，其中出现大量的浅白色初生β相，并且以树枝晶的方式长大。图1（b）同为0.5%Y变质条件下含铝33%镁合金的合金，凝固组织的差异明显，通过Y含量的微小变化量研究变质剂对组织的影响规律。研究稀土元素对共晶成分Mg-Al合金的变质作用。图1（a）是不含变质剂Y的凝固组织，以粗大树枝晶为主。（b）加入的Y含量为0.5%，可以看出，合金凝固组织中初生树枝晶β相的特征消失，形成密集由共晶胞构成的共晶集群结构，图1（a）和（b)是在同样的浇注条件进行的，这说明加入0.5%Y变质剂对合金产生了明显的变质效果，分析其原因主要是由于Y的加入，生成Al2Y新相，夺取了合金中一部分Al原子，使凝固过程中含铝33%晶间残留液相中的Al含量降低，更接近共晶点32.3%，当剩余液成分相降低到共晶点时全部以共晶组织结晶，也就是如（b）中所示的共晶结构，从Mg-Al二元相图上看，相当于共晶成分点向相图右侧偏离。（c）为变质剂Y含量为0.8%，Al 33%的镁-铝合金凝固组织，这与（b）中的组织相比变化不大，但共晶晶胞尺寸有所减小，图1（d）组织中出现了板条状状相，对其形成机理下节有详细介绍，也说明不同Y含量变质对镁合金凝固组织的影响不同。

2.2 稀土Y变质对共晶组织中β相析出与生长

稀土Y变质剂的加入，合金的共晶组织形貌特征发生了变化，为了进一步研究β相的形貌特征和生长规律，本实验对不同Y含量变质下的合金进行扫描电镜观察，如图2所示。

图2 Mg-33Al合金树枝晶和共晶组织SEM照片Fig.2 SEM image of dendrite and eutectic crystal of Mg-33Al alloy

图2（a）为金属型铸造过共晶成分合金Mg-33Al的组织，其中浅灰色凸起的是β相，枝晶结构生长特征明显。图2（b）是（a)放大后的形貌，可以看出，初生树枝晶β相应为共晶组织的形成提供了条件，这与亚共晶成分合金的共晶生长有所不同。

稀土Y变质后的高铝镁合金中的共晶组织与未变质的相比，由图3可以看出，（a）中的共晶晶胞组织以典型的层片状和棒状形态析出，共晶晶粒的晶界分布明显，图3（b）显微组织出现有长短不一的杆状共晶组织，晶粒内部呈对称分布。

图3 稀土Y变质下Mg-33Al共晶组织形貌Fig 3 Eutectic microstructure of Mg-33Al alloy under rare earth Y modif ication condition

图3（c）、（d）是放大后观察到的组织形貌，共晶组织呈羽毛发散状分布在晶粒内部。本实验对杆状相进行了能谱分析和X射线衍射图谱，分别见图4和表1，得出杆状组织为β-Mg17Al12相。

图4 高铝镁合金杆状相扫描照片Fig 4 The SEM image of batten-like eutectic in high aluminum- content magnesium alloy

表1 板条状相的能谱元素含量（%）Table 1 EDX analysis result of point A in Fig.4

2.3 稀土Y在Mg-33Al合金中的存在形态与分布特征

为了观察稀土Y变质下，过共晶凝固组织中生成的新相Al2Y化合物的分布规律，分析在变质剂作用下Al2Y化合物的形态特征，通过对过共晶成分合金凝固组织进行扫描电镜观察，如下图5所示。

图5 稀土Y变质下Mg-33Al晶界处Al2Y的分布规律Fig.5 Distribution rules of Al2Y in crystal boundary of Mg-33Al alloy under rare earth Y modif ication condition

从图5中可以看出，白色颗粒状化合物主要分布在共晶晶粒的晶界处，而在树枝状共晶晶粒内部并没有发现类似的颗粒状物质，含Y化合物形态不规则，直径尺寸在3μm～7μm之间，通过对合金进行XRD以及EDX能谱进行微区成分分析（表2），图6为不同Y含量33%Al镁合金样品的XRD 图谱，可以看出，含稀土Y量为1.2%和1.5%的合金样品中看到明显的Al2Y的衍射峰，由此判断，上述晶界偏聚白色颗粒状物质为含Y相化合物，生成的Al2Y相会在共晶组织晶界以颗粒状偏聚，从而进一步了解了稀土Y在镁合金中存在的形态特征以及形成机制。

图 6 Y含量为1.2%和1.5%Mg-33Al合金的XRD图谱Fig.6 XRD patterns of Mg-33Al with 1.2% and1.5% yttrium additions

表2 白色颗粒状物质能谱元素含量（%）Table 2 EDX analysis result of particle in Fig.5

3 结论

（1）稀土变质后的Mg-33Al高铝镁合金中的共晶组织与未变质的相比，共晶晶胞组织以层片状和杆状形态析出，共晶晶粒的晶界清晰，显微组织中出现了大量交错分布的细杆状共晶组织。

（2）稀土Y含量为1.2%和1.5%的Mg-33Al合金样品中有明显的Al2Y的衍射峰，Y在镁合金中以白色颗粒状Al2Y化合物形式存在，直径尺寸在3μm～7μm之间，弥散分布于共晶组织晶界处，局部出现偏聚现象。