關于低壓鑄造Mg-10Gd-3Y-0. 72r合金的組織及力學性能的研究
作者：鄭曉敏
近年來，隨著輕量化進程的推進，對鎂合金的需求量不斷增加，目前在航空航天、3C、汽車等領域得到廣泛應用，但是對鎂合金的性能要求也變得越來越高。Mg-Gd-Y-Zr合金作為新型高強耐熱鎂合金，利用Gd和Y在Mg中的高固溶度，能夠顯著提高合金的力學性能。研究表明，相比于目前常用的WE54和QE22等耐熱鎂合金，Mg-Gd-Y-Zr合金具有更好的室溫和高溫性能、抗蠕變性能。近年來，通過不斷優(yōu)化Mg-Gd-Y-Zr合金成分．開發(fā)出Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金，其耐熱溫度可達到350°C。該合金的強度相當于中強鋁合金，有望在航天航空領域取代部分鋁合金零件，實現(xiàn)全面減重的目的。
低壓鑄造具有充型平穩(wěn)、鑄造缺陷較少等特點，相比于重力鑄造具有更好的補縮效果，在壓力下成形合金組織更加致密，因此在實際生產(chǎn)過程中，大部分艙段采用低壓鑄造生產(chǎn)。
Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金主要采用金屬型重力鑄造，而砂型低壓鑄造的報道很少。在砂型低壓鑄造Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金時，微觀組織和力學性能均有別于金屬型重力鑄造，熱處理工藝也需要進行調(diào)整。因此，本課題主要研究熱處理工藝對低壓鑄造Mg-10Gd-3Y-0. 72r合金組織及力學性能的影響，同時優(yōu)化合金的熱處理工藝，提高合金的力學性能，深入分析合金的強化機制，為砂型低壓鑄造Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金的應用提供參考。
1試驗材料和方法
Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金采用99. 99%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的純鎂、Mg-30Gd、Mg-33Y和Mg-332r中間合金在井式坩堝爐中熔煉而成。熔煉過程中采用熔劑保護，精煉后將坩堝轉(zhuǎn)移至低壓鑄造機中，充氣加壓澆注(充型壓力為0.6 kPa，保壓壓力為40 kPa)，得到200 mm×100 mm×16 mm的板狀試樣，合金實際成分見表1。在熱處理過程中，合金采用真空管密封的方法，將多個拉伸試樣密封在真空石英管內(nèi)，隨爐加熱熱處理。
顯微組織觀察分別采用Zeiss MC82光學顯微鏡和Quanta 200FEG場發(fā)射掃描電鏡進行；采用線切割加工片狀拉伸試樣，見圖l，用砂紙將拉伸試樣表面打磨干凈后在Instron-5569的電子萬能拉伸儀上測試。
2 試驗結果與討論
2.1 Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金的鑄態(tài)顯微組織
圖2為Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金在低壓鑄造組織�？梢钥闯�，合金最終凝固組織為等軸晶，用截線法計算得到合金平均晶粒尺寸為65μm。第二相呈網(wǎng)狀結構分布在晶界上，特別是在多晶粒交接處，第二相體積含量更高。在合金凝固過程中，a-Mg初生相首先析出，隨著a-Mg初生相的持續(xù)生長，在初生a-Mg周圍Gd和Y不斷聚集，為第二相的形成創(chuàng)造了良好環(huán)境，所以合金中第二相豐要旱網(wǎng)狀分布在晶界上。
從圖2b可清晰看到第二相的結構，對其進行EDS分析，結果見表2。B點即為共晶相，EDS顯示其主要合金元素為Gd和Y。有研究表明，Mg-10Gd-3Y-O.72r合金在正常凝固條件下，Gd和Y在a-Mg初生相周圍富集，形成Mg24(Gd，Y)5相。在晶界附近，還有一種塊狀的明亮相（C點），該相含有更多的Y。Y在鎂合金中能起到很好的強化作用，其形成的相主要為方塊狀。另外，在晶粒內(nèi)部有一些零星分布的點狀結構，見圖2b中D處，EDS顯示該相除Mg外主要含有Zr。這是因為Zr在無Al鎂合金中能起到很好的細化晶粒的作用，Zr和Mg晶格常數(shù)相近，在合金凝固過程中能成為a-Mg初生相的形核質(zhì)點。Gd是一種重稀土元素，在Mg中有很高的固溶度，當溫度達到548℃時，Gd在Mg中的固溶度為23. 49%，圖2b中A處為合金基體，除了Mg外，還含有少量的Y和Zr，而Gd含量達到4. 33%，這說明即使在鑄態(tài)條件下，Gd也起到了很好的固溶強化作用。
2.2 Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金熱處理工藝優(yōu)化
由合金鑄態(tài)組織可以看出，合金化元素Gd和Y主要以第二相的形式呈網(wǎng)狀分布于晶界上，不利于合金力學性能的提高。因此，將結合DTA分析結果，優(yōu)化合金的熱處理工藝。圖3為DTA分析結果�？梢钥闯�，初生a-Mg的熔化溫度為650.2℃，Mg24 (Gd，Y)5共晶相熔化溫度為548.3℃，因此，可以確定固溶溫度為510、520、530℃，固溶時間選擇為10、14、18 h。
圖4為Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金在不同固溶條件下的組織�？梢园l(fā)現(xiàn)，在510℃分別固溶14和18 h后晶界周圍均留有大量點狀顆粒，固溶不夠徹底。520℃固溶效果明顯好于510℃，晶界上點狀第二相明顯減少，但保溫18 h后，能夠明顯看出晶粒的長大。當固溶溫度達到530℃時，晶粒長大均非常明顯。綜合比較各參數(shù)下的固溶效果和晶粒尺寸，520℃×14 h的條件下，固溶處理效果最好，鑄態(tài)組織中為Mg24 (Gd，Y)5共晶相的網(wǎng)狀分布完全得到改善，晶界上無明顯析出物，晶粒略有長大。
對于高稀土含量的Mg-Gd- Y-Zr合金，其時效溫度一般較高，在200℃以上。因此選取時效溫度為210～250℃。為得到合適的時效時間，在不同溫度下對合金的時效曲線進行測試，結果見圖5。在210℃時效達到26 h時，合金硬度(HV0.1)達到峰值，為94.7，而在230℃時，在20 h即達到峰值，硬度值(HV0.1)為100.3，在250℃時，峰值提前，時效18 h后，硬度(HV0.1)達到峰值，為95.3。因此，在230 0C×20 h條件下，合金時效效果最好，硬度最高。
經(jīng)過上述試驗，可以確定Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金的最優(yōu)T6熱處理工藝為，520℃×14 h+230℃×20 h。
2.3 熱處理對合金組織和力學性能的影響
采用T6熱處理后，Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金鑄態(tài)組織中網(wǎng)狀分布的Mg24 (Gd，Y)。相消失，在晶界上存在大量方塊狀顆粒相，其尺寸在3μm左右，見圖6。表3的EDS分析結果顯示，方塊狀顆粒相主要含有Y和Gd，其含量分別為16. 53%和26. 79%，經(jīng)過熱處理后Gd和Y主要形成Mg24(Gd，Y)5相，并且合金基體中Y和Gd含量明顯增加，Y含量由鑄態(tài)時的0.35%上升至1. 76%，Gd含量由4.33%增加到8.79%，這說明固溶處理起到良好的效果，不僅改善了鑄態(tài)時Mg24 (Gd，Y)5相的網(wǎng)狀分布，還使大量Gd和Y固溶到a-Mg基體中，形成過飽和固溶體，起到固溶強化效果。在隨后的時效階段，過飽和固溶體中析出大量細小、彌散的強化相，達到良好的析出強化效果。
表4為Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金熱處理前后的力學性能，其應力一應變曲線見圖7。
可以看出，鑄態(tài)Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金的力學性能較好，抗拉強度為218.3 MPa，屈服強度為145.2 MPa，伸長率為5.5%。經(jīng)過T4熱處理后，合金的抗拉強度基本沒有發(fā)生變化，由于經(jīng)過固溶處理后，形成大量過飽和固溶體，雖然固溶強化效果明顯，但是合金的第二相強化作用被大大削弱。另外，合金的屈服強度有所降低，但是伸長率得到很大提高，由5.5%變?yōu)?3.4%，提高了144%。這是因為固溶處理的軟化作用，雖然使合金屈服強度有所下降，但是很大程度上改善了合金的塑性，使伸長率得到大幅度的提升。經(jīng)過T6處理后，過飽和固溶體不斷析出彌散強化相，在這個過程中析出強化作用明顯，合金強度得到大幅度提升，抗拉強度和屈服強度達到307.8 MPa和200.4 MPa，相比于鑄態(tài)，分別提高了41%和38%，而合金伸長率相比T4態(tài)有所下降，為7.2%。
綜上，熱處理對Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金力學性能的提升十分顯著。在T4條件下，合金伸長率達到13.4%，相比于鑄態(tài)提高了144%。在T6條件下，合金綜合力學性能優(yōu)異，抗拉強度和屈服強度達到307.8MPa和200.4 MPa，較鑄態(tài)分別提高了41%和38%，伸長率保持在7.2%左右。
3 結 論
(1)低壓鑄造Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金的鑄態(tài)組織為等軸晶，主要由初生a-Mg相和共晶Mg24(Gd，Y)5相組成，且Mg24(Gd，Y)5共晶相呈網(wǎng)狀分布在晶界上。
(2)對Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金熱處理參數(shù)進行優(yōu)化，在520℃×14 h+230℃×20 h處理時，合金具有最佳熱處理效果。
(3)經(jīng)過T6熱處理后，Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金鑄態(tài)組織中連續(xù)分布的Mg24(Gd，Y)5相消失，合金主要含有a-Mg和顆粒狀M9s (Gd，Y)相。
(4)經(jīng)過T4熱處理后，Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金強度變化不大，伸長率得到極大提升，由5.5%變?yōu)?3.4%。經(jīng)過T6熱處理后，合金綜合力學性能優(yōu)異，抗拉強度和屈服強度達到307.8 MPa和200.4 MPa，伸長率為7.2%。
4、摘要
采用低壓鑄造工藝制備了Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金，利用OM.SEM.EDS.DTA等手段研究了合金在熱處理前、后的微觀組織演變，并對其熱處理工藝進行優(yōu)化，以提高合金的綜合力學性能，并結合組織變化分析了合金的熱處理強化機制。結果表明，Mg-10Gd-3Y-O. 72r合金的鑄態(tài)組織主要由a—Mg初生相和Mg24(Gd, Y)5共晶相組成，且Mg24( Gd，Y)5共晶相呈網(wǎng)狀分布在晶界上。熱處理后，連續(xù)分布的Mg24 (Gd, Y)5相消失，主要為。-Mg和顆粒狀Mg24(Gd, Y)5相。在520℃×14 h+230℃X20 h熱處理效果最佳。經(jīng)過520℃固溶14 h后，合金強度變化不大，但是伸長率由5.5%變?yōu)?3.4%，提高了144%。230℃時效處理后，合金的綜合力學性能優(yōu)異，抗拉強度和屈服強度達到307.8 MPa和200.4 MPa，伸長率為7.2%，較熱處理前分別提高了41% .38%和31%。
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