铸造镁合金强化机理及显微组织分析

铸造镁合金强化机理及显微组织分析

董文学

( 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 150000)

摘要：镁合金由于其成型工艺的不同，可分为变形镁合金和铸造镁合金。其中，时效时间对铸造镁合金力学性能、显微组织具有较大影响，本文主要分析铸造镁合金强化机理及时效时间对铸造镁合金显微组织的影响。

关键词：铸造 强化机理 显微组织

1 前言：

镁合金由于其成型工艺的不同，可分为变形镁合金和铸造镁合金。其中，铸造镁合金主要应用于航空机匣壳体、汽车零件、机电壳罩等。目前，国内常用的铸造镁合金材料按成分主要分为：镁-锌-锆系：ZM1、ZM2；镁-铝系：ZM5、ZM10；镁-稀土-锆系：ZM3、ZM4、ZM6。但这类镁合金存在以下缺点：耐蚀性差，材料强度偏低，尤其是高温强度和抗蠕变性能差，且镁合金铸件容易形成缩松和热烈纹，铸件成品率较低，这些缺点限制了铸造镁合金在航空航天领域的应用。国外在镁-稀土-锆系镁合金的基础上开发研究出了稀土镁合金，通过添加具有高扩散能力的Y、Gd等稀土元素，提高镁合金的再结晶温度，再通过其很好的时效以及析出作用产生对合金性能具有显著影响的弥散相。稀土元素对镁合金具有固溶和沉淀强化的作用，通过加入稀土元素可显著改善合金的铸造性能和抗蠕变性能，提高镁合金的室温和高温强度，并且耐蚀性也的到了改善，因而广泛应用于航空航天领域。本文主要通过不同时效时间的试验，分析时效时间对铸造镁合金显微组织的影响。

2 试验过程：

研究材料：铸造镁合金；试样状态：铸造;时效处理采用箱式低温炉加热；试样显微组织观察采用金相显微镜:奥林巴斯GX71。

3 铸造镁合金强化机理：

铸造稀土镁合金由于加入了Gd、Nd、Zr等稀土元素，可显著提高镁合金的强度、耐高温及耐蚀性能，对航空航天、军工产品、新能源汽车产业等轻量化行业的发展起到了极大的促进作用。稀土镁合金中主要有Gd、Nd、Dy、Td、Sm、Ho等强化稀土元素，其中以Gd、Nd、Y、Sm等元素应用较多。一般，稀土镁合金主要分为Mg-Nd-Zn-Zr、Mg-RE-Zn-Zr、Mg-RE-Al、Mg-Y-Zn-Zr等类别。Nd在镁中的固溶度较低，最大固溶度为3.6%。在铸造稀土镁合金中，Nd主要以高温稳定的共晶相Mg12Nd方式存在，它不仅能提高镁合金的高温强度，而且还能提高室温强度。稀土Gd元素由于与Mg原子半径接近，因而在Mg中具有更大的固溶度，为23.5%，随着温度的降低，其固溶度也有所下降。Gd的时效硬化特性极强，有研究表明，Mg-Gd系合金的抗蠕变性能比WE43(T6)要好将近10倍。此外，其它稀土元素也广泛应用于其它稀土系镁合金中，如Y、Pr、Dy、La等。其中，Y与镁同为密排六方结构，晶格常数和原子半径与镁相近，而且在镁基体中具有较大的固溶度，具有较强的固溶强化效果。在室温条件下形成的Mg24Y5，弥散分布于α-Mg基固溶体中，可以有效阻止位错移动和晶界的滑移，提高镁合金的高温强度和高温抗蠕变性能。此外，人们还开发出了诸如Mg-Y-Nd-Zr合金等多元稀土镁合金，其室温强度和抗高温蠕变性能都比其它镁合金要高，使用温度可达300℃。

铸造稀土镁合金的铸态组织为α-Mg固溶体和晶界分布的角块状化合物MgX（Nd，Gd，Zn）所组成。铸造稀土镁合金通常的热处理机制为固溶时效处理，经固溶及时效处理后，角块状化合物大部分溶于固溶体中，少量残存分布于晶界上，同时晶内可见弥散分布的点状沉淀相。可根据实际情况的需要，在温度范围内进行一定程度的参数调整。铸造稀土镁合金金相组织结构及高温相转变决定了其主要强化机制包括固溶强化、析出强化、晶界强化等。

（1）固溶强化：铸造稀土镁合金由于稀土元素与Mg原子半径以及电负性的差异，当添加Gd、Nd等稀土元素时，Gd、Nd等溶质原子固溶于Mg基晶体溶剂后，产生晶格畸变，溶剂原子与位错的交互作用会产生较大的应力场，因此阻碍位错的运动并提高合金强度。Gd、Nd等溶质原子浓度越高，晶格畸变越显著，固溶强化效果越好。因此，固溶保温时的温度既不能过高，也不能过低。温度过高时，Gd、Nd等溶质原子全部固溶于Mg基固溶体中，溶质原子无法产生晶格畸变及与位错交互作用，合金强度会显著降低；固溶温度太低会使组织较难均匀化。

（2）析出强化：铸造稀土镁合金合金化或固溶淬火热处理后，经过时效过程基体会析出大量弥散分布的Mg-Gd型、Mg-Nd型沉淀相。这些弥散分布的沉淀相会阻碍位错的运动，若位错需要继续运动只能绕过沉淀相或切割沉淀相，从而起到析出强化的效果。此外，析出强化的效果与析出的沉淀相的数量、尺寸、间距直接相关。一般来说，沉淀相的数量越多、尺寸越小、间距越密级，析出强化效果越好。

（3）晶界强化：晶界强化又称细晶强化，根据Hall-Petch：σy=σ0+kd-1/2，σy为屈服强度，σ0为单晶的屈服强度，K为常数，d为晶粒尺寸。公式可知，多晶体的强度随晶粒细化而提高。铸造稀土镁合金晶粒尺寸越小，晶界数量越多。相应的，当位错从在晶粒间滑移运动时会受到晶界的阻碍，从而提高铸造稀土镁合金的强度，并且韧性指标也会有相应提升。

4 显微组织分析：

图1、图2为30h时效后，铸造稀土镁合金的横向显微组织，10h、16h、30h试样晶粒度级别均为7（6）级，晶粒度未见明显差异。10h、16h试样显微组织为α-Mg固溶体+晶界角块状Mg12Nd化合物+晶内弥散分布的Mg-RE金属间化合物。随着时效时间进一步延长到30h，晶内沉淀析出物开始减少，大量析出物沿晶界长大成长条状。

图1 30h时效处理后显微组织形貌(50X) 图2 30h时效处理后显微组织形貌(500X)

4结论：

时效保温时间在（10-16）h时，显微组织为α-Mg固溶体+晶界角块状Mg12Nd化合物+晶内弥散分布的Mg-RE金属间化合物。随着时效保温的增长，晶内析出相数量开始增加，且在此温度范围内析出相弥散程度也最佳。当时效时间进一步延长到30h，晶内沉淀析出相开始减少，大量析出相沿晶界长大成长条棒状形态。析出相的数量越多、尺寸越小、间距越密级，析出强化效果越好。

本文通过对铸造稀土镁合金不同时效时间对显微组织形貌和机理分析，借助相关设备进行相关的分析测试仪器进行组织分析，并深入分析对应的内部组织机理变化，结合方案条件、测试结果以及组织变化机理，最终明确了时效时间对铸造镁合金显微组织的影响。

希望本研究能够为未来新材料研究拓宽新思路，为以后的新材料开发打下坚实的基础。

参 考 文 献

（1）杨晓敏 Mg-Al基强化相及固溶体结构和性能的第一性原理研究 中北大学 2014.9（4-6）

（2）曾小勤、朱庆春等 镁合金中的第二相颗粒强化 中国材料进展 2019.3（38卷第3期）

（3）徐永东 稀土镁合金组织和性能研究 天津大学 2012.5（1-4）

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