擠壓態單/雙相鎂鋰合金的組織與性能

張義俊,門 凱,郭簫玥,盧志安

(1.河南農業職業學院,鄭州 451450;2.鄭州大學材料科學與工程學院,鄭州 450001)

0 引 言

鎂鋰合金具有密度小(1.4～1.7 g·cm-3),比強度高,延展性、阻尼性能和電磁屏蔽性能良好等特點[1-2],在交通運輸、電子、航空航天和醫療器械等領域有著廣闊的應用前景。根據鎂鋰合金二元相圖,當鋰質量分數介于5.7%～ 10.3%時,鎂鋰合金為(α+β)雙相組織,當鋰質量分數超過10.3%時為β單相組織[3]。體心立方結構β相的存在使得鎂鋰合金具有較多滑移系,變形能力相對更好,可進行常溫軋延、沖壓等塑性加工[4],但其強度較低[5-6]。釔是一種與鎂晶體結構相似,能在鎂合金中起到固溶強化、彌散強化作用的稀土元素,加入鎂鋰合金中可提高其室溫、高溫力學性能和耐腐蝕性能[7]。而且,將釔與鋅按一定比例同時添加到鎂鋰合金中,可在合金中形成Mg3Zn6Y1等準晶相[8],使得合金在保持良好塑性變形能力的基礎上獲得較高的強度和較好的耐腐蝕性能等,從而擴大其工業應用范圍。

作者對比研究了相同工藝熱擠壓變形后Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y(質量分數/%,下同)、Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y鎂鋰合金的顯微組織、密度和力學性能,以期為探究單/雙相鎂鋰合金組織與性能的異同,并進一步通過成分優化和熱變形提高鎂鋰合金的綜合力學性能提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y和Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y鎂鋰合金鑄錠,均由山西銀光鎂業集團提供,采用真空感應熔煉法制備。采用線切割截取尺寸為φ60 mm×100 mm的圓柱體試樣,采用NB-SX2-8-16TP型箱式電阻爐進行200 ℃×10 h的均勻熱處理,空冷至室溫,再經285 ℃×1 h的預熱處理后,在XJ-800SM型擠壓機(擠壓模具先進行285 ℃×15 min的預熱處理)中進行熱擠壓變形,擠壓后空冷至室溫,擠壓比為15.8,擠壓后截面尺寸為30 mm×6 mm。

采用線切割截取尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的金相試樣,經磨拋和體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用奧林巴斯GX81型光學顯微鏡觀察鑄態和熱擠壓態試樣的顯微組織,并采用附帶的Image-Pro Plus軟件統計晶粒尺寸[9]。采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析物相,采用銅靶,加速電壓為30 kV,電流為150 mA,掃描速率為2 (°)·min-1。采用FEI Quanta 400F型掃描電鏡(SEM)觀察微觀形貌,采用附帶的能譜儀分析微區成分。采用JH955-XS-120F型密度測試儀測試密度[10]。采用HV-1000型數顯維氏硬度計測試硬度,載荷為1.96 N,保載時間為10 s,測5點取平均值。根據GB/T 228—2010,沿擠壓方向截取拉伸試樣,尺寸如圖1所示,采用MTS-810型萬能材料試驗機測試室溫拉伸性能,應變速率為10-3s-1,測3組取平均值。在拉伸斷裂的試樣上沿拉伸方向剖開,用無水乙醇超聲清洗截面后采用FEI Quanta 400F型掃描電鏡觀察近斷口處截面形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織和物相組成

由圖2可見:鑄態Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金由亮白色塊狀α-Mg相、灰色β-Li相以及斷續分布的Mg3Zn6Y1相組成,是典型的(α+β)雙相鎂鋰合金;鑄態Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金由β-Li相和Mg3Zn6Y1相組成,未見α-Mg相,是典型的β單相鎂鋰合金,且由于鋅和釔質量分數更高,晶界處Mg3Zn6Y1相相比于Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中更加連續,體積分數更大;擠壓態Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中的α-Mg相和β-Li相沿擠壓方向變形,呈條狀;擠壓態Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金在擠壓作用下形成了少量尺寸較小的α-Mg相,這主要是與擠壓過程中Mg3Zn6Y1相破碎造成鎂元素從共晶化合物中擴散出來有關[11-12]。在熱擠壓過程中兩種合金中的Mg3Zn6Y1相都發生了破碎,且都沿著擠壓方向發生變形,但是α-Mg相未發生明顯動態再結晶。

由圖3可見:擠壓態Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y、Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金的平均晶粒尺寸分別為(12.2±7.0), (10.9±3.8) μm。Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y鑄態合金因其組織主要為體心立方結構β相而具有較多滑移系,擠壓變形過程中β相會優先發生塑性變形并發生再結晶,晶粒尺寸相對較小;Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中的α相會因為β相的軟化協調作用而釋放應力,動態再結晶較為困難,所以晶粒尺寸相對較大。

圖3 擠壓態鎂鋰合金的粒徑分布Fig.3 Grain size distribution of extruded magnesium-lithium alloys

由圖4結合能譜結果分析可知:兩種擠壓態鎂鋰合金中的條狀區域主要含有原子分數分別為98.47%和1.53%的鎂和鋅,為α-Mg相;等軸晶區主要含有原子分數分別為97.12%和2.88%的鎂和鋅,即β-Li相;亮白色細小顆粒中鋅與釔的原子比約為5.88,為Mg3Zn6Y1相[13];大尺寸塊狀顆粒中鋅與釔的原子比約為1.52,為Mg3Zn3Y2相[14];界面處顏色相對較淺區域鎂、鋅、鋰的原子比接近于1…1…1, 為LiMgZn相;兩種擠壓態鎂鋰合金中鋅、釔元素主要分布在亮白色顆粒中,且此兩種元素主要在第二相上富集,而在α-Mg、β-Li相中固溶較少。

圖4 擠壓態鎂鋰合金的SEM形貌和元素面掃描結果 Fig.4 SEM morphology (a,c) and element surface scanning results (b,d) of extruded magnesium-lithium alloys

由圖5可知:兩種擠壓態合金均主要由α-Mg相、β-Li相、Mg3Zn6Y1相和少量的Mg3Zn3Y2相、LiMgZn相組成;Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中的Mg3Zn3Y2相和LiMgZn相衍射峰強度更高,這主要是因為其鋅、釔含量相對更高,形成了更多的第二相[15-16]。擠壓態Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金中α-Mg相、β-Li相、第二相(Mg3Zn6Y1、Mg3Zn3Y2、LiMgZn相)的平均尺寸分別為64.7,13.3,4.4 μm,體積分數分別為14.1%,79.0%,6.9%;擠壓態Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中α-Mg相、β-Li相、第二相的平均尺寸分別為22.3,12.0,4.6 μm,體積分數分別為4.3%,86.1%,9.6%。

圖5 擠壓態鎂鋰合金的XRD譜Fig.5 XRD patterns of extruded magnesium-lithium alloys

2.2 密度和力學性能

試驗得擠壓態Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金的密度、硬度、屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率分別為1.56 g·cm-3,66.2 HV,186 MPa,223 MPa和30.4%;擠壓態Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金分別為1.58 g·cm-3,68.9 HV,200 MPa,231 MPa和29.8%?？芍?相比擠壓態Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金,擠壓態Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金的密度更高, 這與其含有更多大原子序數鋅、 釔元素有關[17],其硬度、屈服強度、抗拉強度更大,分別增加了2.72%,7.53%,3.59%,但斷后伸長率略有減小,這主要是因為更多的鋅、釔元素會產生更大的晶格畸變從而增強固溶強化作用[18];此外,該合金的平均晶粒尺寸更小、第二相體積分數更大,細晶強化和第二相強化作用更強[19]。

由圖6可見:兩種擠壓態合金中的α-Mg相在靠近拉伸斷口的高應變區沿拉伸方向延伸呈細條狀,在遠離拉伸斷口的低應變區仍然呈塊狀,β-Li相和Mg3Zn6Y1相在高應變區也有沿著拉伸方向變形的趨勢。在拉伸過程中,α-Mg相和β-Li相可以起到協調變形作用從而使合金具有良好的塑性[20],而彌散分布的第二相可以起到釘扎位錯作用,阻礙位錯滑移從而提高強度[21]。擠壓態Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金中α-Mg相的體積分數相對較小,β-Li相、第二相體積分數相對較大,因此其變形協調能力相對更差,斷后伸長率相對較低。

圖6 擠壓態鎂鋰合金近拉伸斷口截面微觀形貌Fig.6 Cross-section micromorphology near tensile fracture of extruded magnesium-lithium alloys

3 結 論

(1) 鑄態Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y合金主要由α-Mg相、β-Li相、Mg3Zn6Y1相組成,為(α+β)雙相鎂鋰合金,鑄態Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y合金主要由β-Li相、Mg3Zn6Y1相組成,為β單相鎂鋰合金;經熱擠壓變形后,雙相鎂鋰合金中α-Mg相沿擠壓方向變形呈條狀,兩種合金中的Mg3Zn6Y1相均發生破碎并沿擠壓方向變形,β單相鎂鋰合金擠壓后形成少量尺寸較小的α-Mg相。

(2) 相比雙相鎂鋰合金,β單相鎂鋰合金的平均晶粒尺寸較小,第二相(Mg3Zn6Y1、Mg3Zn3Y2、LiMgZn相)平均尺寸和體積分數較大。

(3) 相比雙相鎂鋰合金,β單相鎂鋰合金的硬度、屈服強度、抗拉強度更大,分別增加2.72%,7.53%,3.59%,斷后伸長率略有減小。兩種擠壓態合金中α-Mg相在高應變區沿拉伸方向延伸呈細條狀,在低應變區呈塊狀,β-Li相和Mg3Zn6Y1相在高應變區沿拉伸方向呈變形趨勢。