Mg-Gd-Y合金及其構件的組織與性能研究

顧皞，蔣清，常志勇，殷鳳杰，肖旅，顧寶龍，顏哲，韓紅，金鑫，付一峰，宿常旭，張建兵*，魯若鵬

Mg-Gd-Y合金及其構件的組織與性能研究

顧皞1，蔣清1，常志勇1，殷鳳杰1，肖旅2，顧寶龍1，顏哲1，韓紅1，金鑫1，付一峰1，宿常旭1，張建兵1*，魯若鵬3

（1.首都航天機械有限公司，北京 100076；2.上海航天精密機械研究所，上海 201600；3.中北大學 材料科學與工程學院，太原 030051）

針對VW103（Mg-10Gd-3Y）和VW63（Mg-6Gd-3Y）2種鑄造鎂合金，從材料微觀結構入手，探討分析2種合金力學性能差異性，獲取了2種鎂合金在工程應用中的鑄造性能及其力學特性。采用熱分析法和改進的裂紋環試樣等方法，開展2種合金的凝固溫度范圍和鑄造裂紋傾向研究。測量和分析其凝固溫度范圍、液態流動性、熱態和冷態下的材料抗裂性能，獲得Mg-Gd-Y稀土鑄造鎂合金的鑄造特性；基于構件本體不同區域取樣，獲得Mg-Gd-Y合金在室溫和150 ℃下的力學性能，并對整體鑄件結構的承載能力和穩定性進行評估。在鑄造性能方面，熱態下脫模，VW103和VW63 2種合金均未出現開裂現象；冷態下脫模，VW103合金試樣出現開裂。在力學性能方面，與VW103合金相比，VW63合金具有更好的綜合力學性能，VW63合金鑄件本體試樣在高溫（150 ℃）條件下拉伸性能均值為320 MPa，表現出優異的力學性能。VW63合金具有更好的力學性能和鑄造性能，采用VW63合金、樹脂砂反重力方法制備的整體鑄件滿足了結構承載能力需求，并且在測試過程中鑄件位移（變形）與載荷和加載時間呈現出良好的線性關系，證實了VW63鑄件的安全性與可靠性，可為VW63合金的后續應用提供參考。

Mg-Gd-Y合金；鑄造性能；力學性能；微觀結構；熱分析法

如今，輕量化在航空航天領域的快速應用備受關注，這也成為提高產品有效載荷和靈活機動性的一種有效方式。然而，想要滿足特殊環境下的獨特要求，不僅要求材料具備密度小、加工性能優異的特點，還對材料高強度、高韌度和耐高溫性能提出了迫切需求[1-3]。鎂具有輕質的先天優勢，其密度只有鋁合金的2/3，具有密度小、比強度高等特點，因而鎂合金成為航空航天領域最具前景的工程材料[2-5]。但是，傳統鎂合金的絕對強度低，其應用也受限于此，比如Mg-Nd-Zn-Zr系的ZM6合金，其室溫條件拉伸強度、屈服強度和延伸率通常分別只有220～260 MPa、120～140 MPa和2%～4%[6-7]。鎂合金在高溫條件下力學性能偏低，也制約了鎂合金在高溫條件下的推廣應用。添加稀土元素是提高鎂合金室溫、高溫力學性能和抗蠕變性能的有效途徑之一[8-10]。由于稀土元素的溶解度隨著固溶溫度的降低而降低，因此合金的強度基本上是通過沉淀強化而增強的[11-13]。

與商業鎂合金相比，如Mg-Al-Zn（AZ）和Mg-Y-RE（WE）系相比[14-15]，含RE的鎂合金，如Mg-Gd/Y、Mg-Gd/Y-Nd、Mg-Gd/Y-Zn系，在室溫和高溫下都表現出更好的力學性能。此外，這些合金表現出顯著的時效硬化響應，因為Gd和Y在Mg中的高溶解度（在其共晶溫度下Gd為23.5%（質量分數），Y為12.5%（質量分數））隨著溫度降低而急劇下降[16]。與商用高性能稀土鎂合金(WE43和WE54)相比，Mg-Gd-Y合金在室溫和高溫下表現出更好的拉伸性能、抗疲勞性能和抗蠕變性能，在航空航天、交通工具等領域具有廣泛的應用前景。因此，近些年來Mg-Gd-Y合金一直是全球研究的熱點[17-19]。

因此，Mg-Gd-Y鎂合金因其優異的綜合性能而備受青睞[20-21]。在Mg-Gd-Y稀土鑄造鎂合金中，Gd、Y稀土元素能提供良好的固溶強化和第二相強化作用，該合金經過固溶時效處理，能析出納米級第二相，有效阻礙位錯的滑移，可大幅提高合金的力學性能。Mg-20%Gd（質量分數）的高溫強度高于傳統耐熱鎂合金WE54A。但隨著Gd含量的增加，合金的密度增大，Gd含量過高會導致成本迅速升高，合金的室溫延伸率降低。Y在鎂合金中固溶度較高（12.5%），與Gd相比，Y的密度較小，價格相對較低。同時，Gd、Y稀土元素能與鎂合金形成高熔點第二相，在高溫條件下，依然能夠對材料位錯起到釘扎作用，有效阻礙位錯及晶界的運動，從而顯著提高鎂合金在高溫狀態下的力學性能[22]。在工程實際應用中，由于Mg-Gd-Y鎂合金成本較高，目前主要應用于航天航空等領域。同時，Mg-Gd-Y系鎂合金具有熱變形加工困難、變形制造成本高及熱變形材料力學性能各向異性等問題，復雜結構件的熱變形制造工藝（鍛造、擠壓、軋制）的應用相對較少[23-24]。當前國內外Mg-Gd-Y合金的復雜結構件，仍主要采用整體鑄造成形+數控機械加工復合工藝，該成形方式具有更佳的適用性和經濟性。

本文主要針對VW103（Mg-10Gd-3Y）和VW63（Mg-6Gd-3Y）2種鑄造鎂合金，展開了鑄造工藝過程和化學成分對2類Mg-Gd-Y合金鑄造性能影響的分析；對比分析了2類合金典型結構低壓鑄件本體解剖試樣和單鑄試樣力學性能，為Mg-Gd-Y稀土鑄造鎂合金的工程應用提供了借鑒意義。

1 實驗

本文選用的材料為VW103 （Mg-10Gd-3Y）和VW63 （Mg-6Gd-3Y）2種鑄造鎂合金。實驗以Mg-Gd中間合金、Mg-Y中間合金、Mg-Zr中間合金以及原生鎂錠為原材料，先將按照設定的成分稱取的原料進行吹砂處理，在200 ℃以上預熱2 h以上。然后利用電阻坩堝爐進行熔鑄。熔鑄時先將原生鎂錠加入鋼制坩堝中，在RJ-2熔劑保護下加熱至全部熔化；隨后升溫至730～780 ℃，依次加入Mg-Gd中間合金、Mg-Y中間合金、Mg-Zr中間合金，攪拌至全部熔化后調溫至730～760 ℃，進行合金精煉；精煉后靜置15～ 45 min，調整合金液至所需的溫度進行低壓澆注。樣件清理完畢進行T6熱處理：固溶熱處理采用RYL- 450-6/FD淬火爐，選擇的保溫溫度為490～525 ℃，保溫時間為6～15 h，對固溶后的試樣采用LHJSX-3200× 4000時效爐進行時效熱處理，在190～230 ℃保溫20～60 h。熱處理均使用空冷的方式冷卻。

采用熱分析法和改進裂紋環試樣等方法，開展2類合金的凝固溫度范圍和鑄造裂紋傾向研究。實驗采用熱分析儀測量合金的凝固溫度范圍，分析材料凝固溫度范圍對合金鑄造工藝和鑄造缺陷的控制，以及對高稀土鎂合金裂紋傾向產生的影響；在740 ℃下重力澆注改進裂紋環試樣，研究2種合金的熱裂和冷裂傾向。

Mg-Gd-Y稀土鑄造鎂合金的線性膨脹系數相對較高，傳統裂紋環試樣上產生的裂紋在冷卻過程中容易形成冷裂紋。本研究采用2種工藝來區別熱裂和冷裂：第一種，澆注后5 min即凝固快結束前打開鑄型取出工件；第二種，澆注完畢待試樣冷卻至室溫條件時開型取出工件。

利用優化的VW103和VW63 2種合金，運用立筒縫隙式澆注系統，采用砂型低壓鑄造方法，開展了典型鎂合金構件反重力鑄造成形、熱處理、本體解剖以及室溫和150 ℃高溫條件下的力學性能檢測，采用上述方法制備的典型鎂合金鑄件產品完成了相關承載能力測試驗證。

2 結果與分析

2.1 Mg-Gd-Y鎂合金鑄造工藝性能

采用熱分析儀法測量的VW103和VW63 2種合金凝固溫度范圍結果見表1。其中VW103合金液相線溫度為638 ℃，固相線溫度為590 ℃；VW63合金液相線溫度為646 ℃，固相線溫度為605 ℃。

表1 VW103和VW63合金凝固溫度

Tab.1 Solidification temperature range of VW103 and VW63 alloys

試驗表明，Mg-Gd-Y系鎂合金的凝固溫度范圍在40～50 ℃，隨著稀土含量增加和合金化程度的提高，合金凝固溫度范圍也隨之增加，VW103合金凝固溫度范圍比VW63合金提高了7 ℃。工程應用較廣的Mg-Nd-Zn-Zr系合金（如ZM6）凝固溫度在100 ℃以上，故Mg-Gd-Y系鎂合金的凝固溫度范圍明顯小于Mg-Nd-Zn-Zr系合金，屬于狹窄凝固溫度范圍合金。

表2 VW103和VW63 2種合金裂紋傾向

Tab.2 Crack tendency of VW103 and VW63 alloys

基于理論分析結果，在740 ℃下重力澆注改進裂紋環試樣進行裂紋傾向性測試，其結果見表2。熱態下將試樣取出來（即開型脫模），VW103和VW63 2種合金均未出現開裂現象。當在冷態下脫模時，即把裂紋環試樣冷卻至室溫條件下再取出來，VW103和VW63 2種合金試驗結果照片分別見圖1和圖2。從圖1e可見，除了寬度最大的裂紋環（環寬為27.5 mm）未開裂外，VW103合金其余寬度的裂紋環試樣全部開裂；而VW63合金除了寬度最小裂紋環（環寬= 17.5 mm）開裂外，其余寬度的裂紋環試樣均未開裂?？傮w來看，VW103和VW63 2種稀土鎂合金熱裂傾向較低，VW103合金冷裂傾向高于VW63合金。

圖3為VW103合金和VW63合金的裂紋斷口SEM圖片。觀察2種合金的裂紋斷口可知，所有開裂的試樣斷面均為正常斷裂形貌，且沒有明顯的氧化夾渣，說明上述裂紋均為冷裂紋。VW63合金在晶界周圍出現了很多圓形或者橢圓形的小韌窩，撕裂棱變得十分發達，韌窩大小不等，說明試樣斷裂前產生了一部分的塑性變形，但是整體呈現的還是沿晶斷裂的方式。右V103合金中斷裂面上有著很多雜亂分布的撕裂棱，從撕裂棱之間的距離判斷出晶粒內部存在滑移，呈現明顯的脆性斷裂特征。

Mg-Gd-Y稀土鎂合金較低的熱裂傾向與此類合金狹窄凝固溫度范圍有關，狹窄凝固溫度范圍使合金具有較大的補縮通道（即金屬液充滿鑄型開始冷卻凝固，窄凝固溫度范圍合金更容易在鑄件凝固方向上形成較大的補縮傾角，容易形成順序凝固），從而降低合金熱裂傾向。Mg-Gd-Y合金較高的冷裂傾向取決于高的鑄造收縮率，其鑄造收縮率是Mg-Al-Zn系合金（如ZM5/AZ80）的150%，因而在冷卻過程中更容易產生較大的收縮應力。Mg-Gd-Y合金較高的線性膨脹系數和較高的固相線溫度是此類稀土鎂合金鑄造收縮率大的主要原因。與VW103合金相比，VW63合金具有較低的稀土含量和較優的鑄造延伸率。因而，VW63合金能夠承受更大的塑性變形，故其冷裂傾向得以顯著改善。

圖1 冷態下脫模時VW103合金的裂紋傾向性測試結果

圖2 冷態下脫模時VW63合金的裂紋傾向性測試結果

圖3 裂紋環試樣斷口掃描圖

2.2 VW103和VW63鎂合金的金相組織

選取相同的740 ℃澆注溫度，將VW103和VW63 2種合金澆注到相同工藝的鑄型中，獲得穩定的鑄造組織，以便開展合金微觀組織分析。結果表明：在相同澆注溫度和鑄造工藝條件下，VW63合金流動性明顯高于VW103，這與VW103中含有更多的第二相有關。對比2種合金固相線和液相線溫度可知，VW63合金液相線和固相線溫度較VW103合金分別高出8和15 ℃，即在相同澆鑄溫度等條件下，VW63合金過熱度低于VW103合金。

對圖4T6態VW103合金金相組織進行分析發現：VW103合金晶界及晶粒內部都分布有大量的第二相組織；鑄件本體試樣的晶粒尺寸約為100 μm，較砂型單鑄拉伸試樣70 μm的晶粒粗大。其主要原因在于：砂型單鑄拉伸試樣尺寸小，澆注所需要的金屬液量小，因而冷卻速度較快，晶粒較為細??；相反，VW103合金典型鑄件尺寸大，澆注所需要的金屬液量大，澆注至凝固結束砂型過熱嚴重，凝固過程中鑄件冷卻速度較慢，鑄件本體的晶粒相對粗大。

VW63合金T6態鑄件本體和單鑄拉棒試樣的金相組織見圖5。金相組織結果表明：VW63合金鑄件本體和單鑄拉棒試樣晶粒尺寸分別為70和40 μm，在合金基體和晶界上可見細小的第二相組織。VW63合金鑄件本體和單鑄試樣的晶粒尺寸明顯小于同等工藝條件下的VW103合金，其主要原因在于：采用相同740 ℃澆注，VW103合金過熱度明顯高于VW63合金（合金過熱度通常采用澆注溫度與合金液相線溫度差來表征，由此可知，VW103合金過熱度為102 ℃，VW63合金過熱度僅為94 ℃），合金過熱度越高，鑄件從液態轉變為液-固態所需時間越長，凝固速度就越慢，鑄件晶粒尺寸就越大[25]。因此，通過調整澆注溫度等參數，能夠改善VW103和VW63稀土鎂合金鑄件本體的晶粒組織，從而實現對鑄件本體力學性能的有效調控。

2.3 VW103和VW63鎂合金鑄件的力學性能

圖6中列出了VW103合金鑄件本體解剖試樣經過T6熱處理后的力學性能檢測結果?；?0個試樣的檢測結果表明，鑄件本體拉伸強度在300～340 MPa，拉伸強度均值為325 MPa，延伸率均值為2%，低于其單鑄試樣3%的均值。VW103合金鑄件本體力學性能顯示出明顯的脆性，無法滿足工程應用的需求。根據以上分析可知，VW103合金鑄件凝固速度低于砂型單鑄試樣，導致鑄件本體晶粒較砂型單鑄試樣粗大，從而造成鑄件本體力學性能低于單鑄試樣。

圖4 T6態VW103合金

圖5 T6態VW63合金

圖6 VW103合金鑄件本體力學性能結果

基于VZ63良好的鑄造性能，在實驗中針對鑄件不同區域進行多次取樣及力學性能分析。圖7給出了81根VW63合金鑄件本體解剖試樣經過T6熱處理后的力學性能數據。實測數據表明：鑄件不同區域本體拉伸強度為300～350 MPa；拉伸強度均值為330 MPa，延伸率均值達到4%，總體力學性能穩定。這與VW63合金鑄件組織較為細小均勻，且無明顯鑄造缺陷有關。

圖7 室溫下VW63合金鑄件本體試樣力學性能

實驗結果也證實，VW63綜合力學性能優于VW103合金，結合金相分析可知，VW63合金鑄件本體晶粒更為細小，均勻細小的微觀組織不僅顯著提高了鑄件本體的材料強度，尤其是提高了材料塑性，同時也降低了Mg-Gd-Y合金的脆性，鑄件本體綜合力學性能的提高，反過來增強了鑄件承受外加載荷的能力。鑄件本體性能數據的離散性可控，這表明：合理的合金成分和科學的鑄造方法，保障了VW63稀土鎂合金鑄件本體組織與性能的均勻性。

此外，選取鑄件本體解剖試樣進行了高溫力學性能分析。圖8是T6態VW63合金鑄件本體試樣在高溫150 ℃下的力學性能?；?9個試樣的實測性能數據表明：鑄件本體試樣150 ℃高溫拉伸強度均值達320 MPa，屈服強度保持在190～230 MPa，相較于室溫條件下的力學性能沒有明顯降低，這說明Gd、Y稀土元素及其形成的第二相對合金的高溫組織穩定性有顯著的提升作用，從而決定了VW63合金具有良好的熱穩定性。

圖8 150 ℃下VW63合金鑄件本體試樣力學性能

2.4 整體鑄件質量評價

采用樹脂砂型反重力鑄造方法和立筒縫隙式澆冒口工藝，完成了VW63鎂合金試驗件的生產及相關承載測試試驗。在整個試驗過程中，整體鑄件沒有任何損壞，而且在承受連續變化載荷條件下，整體鑄件呈現良好的彈性變形，即隨著外加載荷的逐漸增加，鑄件彈性變形也隨之增加，當載荷增加至最大值時，鑄件變形也到達最大，這種彈性變形特性滿足了工程應用的特殊需要。測試試驗表明：T6處理后，整體鑄件結構的承載能力和穩定性均達到產品需要。整體鑄件加載時間和位移（變形）關系見圖9。

圖9中“W01、W02…W12”為加載試驗中整體鑄件位移（變形）的測量位置編號，測試曲線表明：1）位移數據（變形）在載荷變化階段有及時響應，位移數據（變形）反映了載荷對鑄件結構的影響；2）當載荷達到最大值時，鑄件徑向最大位移（變形）僅為2.17 mm。當去除外加載荷后，整體鑄件殘余變形量小于0.5 mm，這表明VW63稀土鎂合金鑄件具有較高的整體剛性，且保持了優異的彈性，滿足實際應用對Mg-Gd-Y稀土鑄造鎂合金整體鑄件組織性能的需求。

圖9 整體鑄件加載時間和位移（變形）關系

3 結論

本研究針對VW103（Mg-10Gd-3Y）和VW63（Mg-6Gd-3Y）2種鑄造鎂合金，從材料微觀結構入手，探討分析了2種合金力學性能的差異性，獲取了2種鎂合金工程應用中的鑄造性能及其力學特性，得出結論如下：

1）對比分析2種Mg-Gd-Y合金的鑄造性能，發現VW103和VW63 2種稀土鎂合金熱裂傾向較低，但VW103合金冷裂傾向高于VW63合金?？傮w而言，2種稀土鎂合金均具有良好的鑄造性能，適合于鑄造成形。

2）通過樹脂砂反重力方法制備了典型的Mg-Gd-Y稀土鑄造鎂合金整體鑄件，VW103合金鑄件本體解剖試樣室溫拉伸強度均值為325 MPa，延伸率偏低，均值為2%。VW63合金鑄件本體解剖試樣拉伸強度均值為330 MPa，延伸率均值達到4%；在高溫150 ℃條件下拉伸性能沒有明顯降低，均值約為320 MPa，VW63鑄件本體力學性能滿足應用需求。

3）采用VW63合金、樹脂砂反重力方法對制備的整體鑄件進行鑄件承載能力試驗。結果表明，整體鑄件滿足了結構承載能力需求，且測試過程中鑄件位移（變形）與載荷和加載時間呈現良好的線性關系，證實了該整體鑄件的安全性與可靠性，可為VW63合金的后續應用提供參考。

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Structure and Properties of Mg-Gd-Y Alloy and Its Components

GU Hao1, JIANG Qing1, CHANG Zhiyong1, YIN Fengjie1, XIAO Lv2, GU Baolong1, YAN Zhe1, HAN Hong1, JIN Xin1, FU Yifeng1, SU Changxu1, ZHANG Jianbing1*, LU Ruopeng3

(1. Capital Aerospace Machinery Company Limited, Beijing100076, China; 2. Shanghai Spacelight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China; 3. College of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Based on the microstructure of VW103 (Mg-10Gd-3Y) and VW63 (Mg-6Gd-3Y) cast magnesium alloys, the work aims to investigate and analyze the differences in mechanical properties and obtain the casting properties and mechanical properties of the two magnesium alloys in engineering applications.The solidification temperature range and casting crack tendency of two types of alloys were studied by the methods such as thermal analysis and improved crack ring specimens. The solidification temperature range, liquid fluidity, and crack resistance of the materials in both hot and cold states were measured and analyzed to obtain the casting characteristics of Mg-Gd-Y rare earth cast magnesium alloy. Based on sampling results from different areas of the component body, the mechanical properties of Mg-Gd-Y alloy at room temperature and 150 ℃ were obtained, and the load-bearing capacity and stability of the overall casting structure were evaluated. In terms of casting properties, during hot demolding, neither VW103 nor VW63 alloy showed cracking phenomenon. For demolding in the cold state, the VW103 alloy sample cracked. In terms of mechanical properties, compared with VW103 alloy, VW63 alloy had better comprehensive mechanical properties. The average tensile performance of VW63 alloy casting specimens under high temperature conditions of 150 ℃ was 320 MPa, demonstrating excellent mechanical properties. VW63 alloy has better mechanical and casting properties. The integral castings prepared by VW63 alloy and resin sand anti gravity method meet the requirements of structural bearing capacity. During the testing process, the displacement (deformation) of the castings shows a good linear relationship with the load and loading time, confirming the safety and reliability of VW63 castings, which can provide reference for the subsequent application of VW63 alloy.

Mg-Gd-Y alloy; casting property; mechanical properties; microstructur; thermal analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.005

TG146.22

A

1674-6457(2024)02-0038-08

2023-04-10

2023-04-10

中央引導地方科技發展專項資金（YDZJTSX2021A027）；中北大學青年學術帶頭人資助項目（11045505）

The Central Guidance on Local Science and Technology Development Fund of Shanxi Province(YDZJTSX2021A027); The North University of China Youth Academic Leader Project(11045505)

顧皞, 蔣清, 常志勇, 等. Mg-Gd-Y合金及其構件的組織與性能研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 38-45.

GU Hao, JIANG Qing, CHANG Zhiyong, et al. Structure and Properties of Mg-Gd-Y Alloy and Its Components[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 38-45.

（Corresponding author）