關(guān)于G d和Y對AM60鎂合金高溫力學(xué)性能影響研究
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作者：張毅
研究發(fā)現(xiàn)，稀土在鎂合金熔煉過程中可以除氣除雜，能凈化合金液，增加合金液的流動性，有效降低產(chǎn)生縮孔、熱裂的傾向，獲得致密的鑄態(tài)組織，并細化晶粒，提高塑性、韌性以及抗高溫蠕變性能。通過研究稀土元素對鎂合金晶粒細化的作用，發(fā)現(xiàn)稀土元素可以提高鎂合金熔液的電子濃度，增加鎂原子之間的結(jié)合力，減緩鎂原子的擴散速度，使得稀土鎂合金的鑄態(tài)組織晶粒細化。此外，稀土可優(yōu)先與Al形成熔點高、熱穩(wěn)定性好的第二相，有利于提高鎂合金的抗高溫蠕變性能和耐蝕性。
本課題研究了G d和Y對AM60鎂合金高溫力學(xué)性能的影響，并通過成分優(yōu)化和T4處理，以提高130℃下稀土鎂合金(RE-AM60)的抗拉強度。
1 試驗方法
以AM60鎂合金為基體，在實際生產(chǎn)條件下熔化并加入Mg-20Gd、Mg-30Y中間合金，按照國標(biāo)壓鑄制成AM60-RE標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。AM60-RE成分見表1。
高溫拉伸試驗在配有高溫加熱爐的RGM-50萬能試驗機上進行，溫控范圍：室溫~400 ℃，誤差為±2℃。加熱至130℃，保溫15 min，應(yīng)變速率為0.001 S-1。
熱處理采用T4處理，升溫至360℃，保溫16 h后水淬。金相采用采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，在萊卡DMI5000M金相顯微鏡下觀察合金的顯微組織。
2 Y、G d對合金高溫力學(xué)性能分析
圖1是RE含量與合金抗拉強度，伸長率的關(guān)系。圖1a為鑄態(tài)試樣中（F態(tài)）RE含量與抗拉強度、伸長率的關(guān)系�？梢钥闯�，添加稀土(G d、Y)能夠提高AM60-RE合金的高溫抗拉強度和伸長率。RE含量為1.9%～2.2%時抗拉強度最高達到227 M Pa，伸長率達到20%，與未加入稀土的AM60相比，高溫抗拉強度提高了約12. 4%，伸長率提高了100%。
圖1b為T4態(tài)合金中RE含量與抗拉強度、伸長率的關(guān)系�？梢钥闯�，在RE含量較低時，隨著RE含量的增加，RE-AM60鎂合金的抗拉強度和伸長率增加。當(dāng)RE含量為1.2%左右時，抗拉強度達到236 M Pa，伸長率為25%，與未加入稀土的AM60合金相比，高溫抗拉強度提高了約13. 5%，伸長率提高了78.6%；隨后，隨著稀土含量的增加，抗拉強度和伸長率出現(xiàn)一定程度的降低。伸長率的提高，表明AM60鎂合金塑性變形能力的增強。圖1中伸長率提高的主要原因是G d、Y可以細化晶粒，G d、Y與Al形成的新析出相從晶界大量析出，減少了B相的不利影響，抑制晶粒長大。
晶粒越細，在外力作用下，越有利于位錯滑移和能參與滑移的晶粒數(shù)目越多。在130℃時，由于一定的變形量會由更多的晶粒分散承擔(dān)，不會造成局部應(yīng)力集中，從而推遲裂紋的產(chǎn)生，即使發(fā)生較大程度的塑性變形，也不會斷裂，因此塑性得到提高。
在稀土總含量為2. 2%時，此時Y含量達到了0. 8%。Y對AM60鎂合金的細晶強化作用顯著，是由于有大量的Al2Y化合物在鎂完成結(jié)晶之前，率先從晶界析出。因此不僅減少了B相的形成，而且由于Al2Y穩(wěn)定存在，減緩鎂原子的擴散速度，抑制晶粒長大。此時1. 4%的G d同樣對AM60鎂合金產(chǎn)生細晶強化作用。G d和Y配合，細化晶粒的作用顯著，所以此時的塑性最好。
而當(dāng)RE元素總含量為2.5%時，由于RE含量過高，容易形成粗大的析出相。而且析出相的形貌呈現(xiàn)出桿狀或針狀，會割裂基體的連續(xù)性，并造成應(yīng)力集中。另外，塊狀或點狀的析出相也會聚集成團，彌散分布的形式較少，能參與滑移的晶粒數(shù)目減少。又由于 應(yīng)力集中很容易產(chǎn)生裂紋，裂紋繼續(xù)擴展，隨即斷裂。 因此，稀土含量達到2. 5%時相對于2.2%時伸長率發(fā)生較大幅度的下降。
圖2為T4處理對含稀土的AM60合金高溫力學(xué) 性能的影響。對于未加入RE的AM60，在T4處理后抗拉強度僅提高了約3%。說明T4處理后，合金元素充分溶解，產(chǎn)生了一定的固溶強化。但是由于非稀土元素與鎂形成的金屬化合物熔點較低，在1300C時容易軟化、粗化，無法像室溫時一樣起到十分顯著的第二相強化的作，不能有效減輕AM60鎂基體的軟化，所以130℃時，固溶強化作用不明顯。
經(jīng)T4處理后，RE-AM60鎂合金高溫拉伸強度均有提高，RE含量為0.4%時，抗拉強度提高了15%。在T4處理過程中，稀土G d和Y充分溶解于鎂基體中，對AM60鎂合金的固溶強化作用顯著。在130 0C時，有效減輕鎂基體的軟化，提高強度。部分G d和Y與Al形成金屬化合物，可以減少Mg17Al12相的形成及減輕該相對基體的割裂作用，減輕Mg17Al12在130℃的軟化、粗化，發(fā)揮其第二相強化的作用。稀土化合物數(shù)量雖少，但高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與含量較多非稀土化合物共同起到強化作用，從而提高AM60鎂合金在130℃時的抗拉強度。
3 Y、G d對AM60微觀組織昀影響
圖3為不同狀態(tài)AM60鎂合金的顯微組織。通過成分分析發(fā)現(xiàn)，白色基體為a-Mg相，黑灰色網(wǎng)狀為B-Mg17Al12相。顯微組織中，晶粒較大，黑色網(wǎng)狀的第二相相互纏繞，呈網(wǎng)狀分布。白色基體中存在一些黑色塊狀的化合物，但數(shù)量較少，為合金元素與M n或Al結(jié)合形成的金屬化合物，如Al2Mn。整體顯微組織不夠均勻，晶粒大小差異較大。
經(jīng)過T4處理的試樣，AM60鎂合金的顯微組織明顯均勻，這主要是由于360℃保溫16 h使合金元素充分溶解，鎂原子充分擴散，晶粒長大的程度基本相同。相互纏繞交織的黑色網(wǎng)狀明顯斷裂，呈條狀，數(shù)量顯著減少，零散地分布在鎂合金基體上。
圖4是添加不同G d后AM60鎂合金的顯微組織�？梢钥闯觯尤隚 d后，白色基體仍為a-Mg基體，網(wǎng)狀化合物既有原來的B-Mg17Al12相，也有Mg或Al與稀土G d形成的化合物。當(dāng)G d含量較低時，隨著G d含量的增加，晶粒形狀越來越規(guī)則并且細化。AM60中黑灰色的粗大的B-Mg17Al12相，由相互纏繞的骨骼狀開始逐漸分離開，并且呈現(xiàn)斷網(wǎng)的趨勢。同時，由于G d與Al的電位差大于與Mg的電位差，因此會優(yōu)先形成Al2Gd。Al2Gd，具有較好的熱穩(wěn)定性，在高溫時仍能保持穩(wěn)定的化學(xué)性能。
結(jié)合圖1知G d含量超過1.2%時，合金的抗拉強度降低，其原因很可能是由于過量的G d形成了粗大的第二相，降低了AM60鎂合金的高溫抗拉強度。為保持AM60-RE合金的熱穩(wěn)定性，通過添加可細化晶粒的稀土Y來改善G d對AM60鎂合金的作用。
圖5為加入G d、Y混合稀土后AM60鎂合金的顯微組織。當(dāng)加入0. 5%的Y+1.4%的G d，即RE總含量約為2%時，可以看到AM60的顯微組織十分均勻，晶粒大小相差不大，粗大的網(wǎng)狀灰色相明顯出現(xiàn)斷網(wǎng)，而且變得較細。而加入0. 8%的Y+1.4%的G d時，雖然網(wǎng)狀的第二相也出現(xiàn)斷網(wǎng)，但此時晶粒粗大，大小不均勻。同時出現(xiàn)很多黑色塊狀析出相，聚集在晶界處，這些析出相大小不一，有些聚集成團簇狀。
對比圖3可知，對于加入單一稀土G d的試樣而言，當(dāng)加入1. 0%的G d時，顯微組織最為均勻細密。而加入Y和G d后，顯微組織明顯比加入單一 G d時均勻。單獨添加1. 4%的G d，由于G d含量較高而產(chǎn)生粗大的第二相，而加入Y后，即使此時G d的含量較高，晶粒依舊比較細小均勻。這說明，Y對AM60鎂合金細化晶粒的作用較為顯著，混合稀土Y、G d對AM60顯微組織的改善作用較好。
加入Y和G d的AM60中有兩種沉淀相析出，分別是Al2Y、Al2Gd。這兩種沉淀相從晶界析出，高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，第二相強化作用顯著，而且細小彌散分布于Mg基體中又起到了彌散強化的作用，另一方面由于與Mg結(jié)合，會降低Mg含量，抑制晶粒長大，起到了細晶強化的作用。
因此，合適含量的G d +Y相互配合起到的固溶強化、細晶強化、第二相強化綜合作用提高了AM60合金的高溫抗拉強度。在130℃時，固溶強化有效減少AM60鎂合金基體的軟化。細晶強化減少130℃時的晶粒粗化程度，使得AM60鎂合金在130℃時的顯微組織較未加入稀土?xí)r均勻，可有效提高強度。新析出的稀土化合物，一方面減少Mg17Al12的形成，同時改變其形貌，減少在130 0C時Mg17Al12的粗化，消除Mg17Al12對AM60鎂合金基體的割裂和應(yīng)力集中，從而有效減輕裂紋的形成；另一方面，Al2Y、Al2 G d相高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高、硬度高，130℃時不易軟化、粗化，成為強化相。這些因素綜合作用，(0.5%～0.8%)Y+1.4%的G d的AM60鎂合金的強度比未加入稀土?xí)r大幅度提高。
4 結(jié) 論
添加稀土G d、Y并進行T4處理可顯著提高AM60合金的高溫抗拉強度。G d在鎂中的溶解度較大，RE含量為1.9%～2.2%的鑄態(tài)AM60合金在130℃條件下抗拉強度可達到227 M Pa，比未添加稀土?xí)r提高了12. 4%。
5摘要在AM60鎂合金中添加不同含量的稀土元素G d和Y，形成AM60-RE，并進行T4處理。通過高溫拉伸力學(xué)試驗測定合金的抗拉強度和伸長率。結(jié)合金相顯微組織觀察表明，土元素Y和G d能夠通過固溶強化作用減少AM60鎂合金在高溫拉伸時的軟化，并且通過第二相強化減少Mg17AI12相數(shù)量以及在130℃時的軟化、粗化，改變其形貌；同時Y、G d與
M g. Al形成的高熔點化合物在130℃時能強化AM60鎂合金基體。添加Y和G d的RE-AM60鎂合金在130 ℃下，鑄態(tài)抗拉強度可達227 M Pa，T4處理后達到236 M Pa，與未添加稀土的AM60相比，鑄態(tài)抗拉強度提高了12.4%，T4態(tài)抗拉強度提高了13.5%。
