固溶处理对Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响.pdf

8332023年第7 期/第7 2 卷有色合金FOUNDRY铸造固溶处理对 Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响李蒙1，邹文兵，张旭亮，潘昏龙1，李宝辉，褚杰1（1.新江科技（江苏）有限公司，江苏南通2 2 6 10 0；2.上海航天精密机械研究所，上海2 0 16 0 0）摘要：通过光学显微镜、扫描电镜、透射电子显微镜以及室温拉伸机等仪器设备研究了固溶处理对Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr（w t.%）镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：铸态显微组织主要由-Mg基体和晶界上的共晶组织组成。固溶处理过程中，Zn含量较高的共晶相消失，出现了Zn含量较低的第二相，540 固溶2 0 h后，第二相完全回溶，所以最佳的固溶处理制度为540 2 0 h。经过2 0 0 18 h的时效处理，-Mg基体内部出现了均匀弥散分布新型沉淀相，该相的惯习面为(112 0)g晶面，提高了合金强度。经过540 20h+20018 h 热处理后，合金的力学性能最佳，平均抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为2 7 5MPa，156 M Pa 和4.9%。关键词：显微组织；力学性能；共晶组织；固溶处理；时效处理镁合金具有密度小、比强度高和易于切削加工等优点，已经广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域1-6 。新一代航空发动机要求镁合金构件兼具良好的强度和塑性、高低周疲劳性能以及优异的耐腐蚀性能，Mg-RE系合金的应用将越来越广泛。近年来，以EV31为代表的Mg-Nd系合金在国外航空发动机上得到了广泛应用，该合金具有优异的力学性能、高低周疲劳性能以及优异的耐腐蚀性。为了使合金具有良好的力学性能和铸造性能，同时降低成本，本文设计了新型Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr（质量分数）镁合金，研究了固溶处理对Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响。1试验方法和步骤作者简介：李蒙（19 8 7-），男，工程师，主要研究方向为轻合金材料铸造成形技术。E-mail：13506204632163.c0m中图分类号：TG113;TG146.2文献标识码：A文章编号：10 0 1-49 7 7(2 0 2 307-0833-05收稿日期：2023-03-23收到初稿，2023-05-16收到修订稿。镁合金试样采用粘土砂重力浇注工艺。以纯Mg、纯Zn、M g-30 Nd、M g-2 0 G d 和Mg-30Zr中间合金为原材料。熔炼过程：将纯Mg放入规格为200mm600mm的铁制熔炼内熔化，熔化量为2 0 0 kg，采用四氯乙烷和氩气混合气体进行保护；待熔体温度升至7 50，加入纯Zn、M g-30 Nd、M g-2 0 G d 中间合金，静置5min后然后进行搅拌；待熔体升至8 50 后，加入Mg-30Zr中间合金，待中间合金熔化后进行充分搅拌使得合金成分均匀；当熔体温度降至7 50 后，采用留包进行浇注。切取试样，进行固溶热处理工艺优化，参考类似成分合金的文献报道数据，固溶热处理温度设计为52 0、530 和540，热处理时间为12 h、16 h 和2 0 h；时效热处理制度为2 0 0 15h。采用马弗炉进行固溶处理，炉温精度5；在鼓风炉中进行时效处理，炉温精度5；冷却方式均为空冷。从辅助试棒上加工拉伸试样用于室温力学性能测试，试样标距长度为2 5mm，拉伸试样直径为5mm。采用光学显微镜、扫描电镜和透射电子显微镜对不同状态下的显微组织进行分析。Vol.72 No.72023834铸造FOUNDRY有色合金2试验结果2.1铸态显微组织铸态显微组织由-Mg基体和晶界上不连续的共晶组织组成（图1a），晶界上共晶组织分为两类，一类是鱼骨状的共晶组织，-Mg和相相间分布；另一类是离异共晶，-Mg和相互独立，相的形貌为条状或不规则块状（图1b）。图2 和图3为试验合金铸态组织的能谱图，表1为分析结果。鱼骨状共晶组织和离异共晶组织中的相的元素含量基本相同（Spectrum1和2），主要是Mg和Nd元素。从表1可以看出：Mg和Nd的原子百分比分别为9 1.2 9/6.14=14.8 7%和9 1.6 0/5.8 4=15.6 8%，与Mg12Nd块状离异共晶相条获离异共晶相鱼骨状共晶组织20um10um（a）光学显微组织(b)SEM形貌图1铸态显微组织Fig.1 The microstructure of the as-cast alloyectrurmSpectrum11005050um图2晶界上共晶组织的能谱分析Fig.2 The element distribution of the eutectic structure at grain boundaries$oktrum2YZ150Spectrum2.100Spectrum4Spectrum35050um300200100勾图3晶粒内部不同区域的能谱分析Fig.3 The element distribution of the different areas within -Mg8352023年第7 期/第7 2 卷有色合金FOUNDRY铸造表1铸态组织的能谱分析结果Table1The energy spectra analysis results ofas-castmicrostructureat%测试位置MgNdGdZnZT191.296.140.761.800.01291.605.840.701.830.04398.961.490.590.100.57464.410.270.090.2234.98相中的Mg和Nd原子百分比接近，与付彭怀等人7 的研究结果相一致。-Mg基体内部的第二相颗粒主要是&-Zr颗粒。2.2热处理过程中的显微组织演变2.2.1固溶处理过程中的显微组织演变图4为试验合金固溶处理过程中的显微组织演变。520固溶处理过程中，晶界上始终分布着未溶的不规则块状第二相；530 固溶处理2 0 h后，显微组织内仍然存在未溶第二相颗粒；540 固溶处理2 0 h，显微组织内的第二相完全回溶，所以最佳的固溶热处理制度为540 2 0 h。2.2.2沉淀析出相分析图5为试验合金经过540 2 0 h+20018 h 热处理后的沉淀相的透射电子显微镜分析。图10 a为沿着0002Mg晶带轴的电子衍射花样，电子衍射斑点为典型的密排六方结构晶体的衍射花样，没有附加的电子衍射斑点出现，为-Mg基体的衍射斑点。从明场像可知：这些沉淀相均匀、细小、弥散分布在-Mg基体中，形貌为短棒状（图5b、），沿着 Mg晶向出现了多种变体（图10 d）；在HAADF-STEM图像下，这些沉淀相的衬度明显高于基体。一般来讲，原子序数越大，HAADF-STEM图像中的衬度越亮，Nd、G d和Zn的原子序数远高于Mg原子，这说明沉淀相中偏聚着Nd、G d 和Zn元素，同时还可以看到这些沉淀相是由更微小的环状结构组成，环之间的间距约为1.13nm左右（图5d）。(a）520C/12h520C/16h()520C/20h5ourm50um5Oum530C/12h530C/16h530C/20h5uY50u350umg540C/12h540C/16h(i)540C/20h未溶第二相颗粒5o4m50um50um图4固溶处理过程中的显微组织变化Fig.4 The microstructure evolution during solution treatment836Vol.72No.72023铸造FOUNDRY有色合金0000100（a）电子衍射花样，晶带轴0 0 0 2 JMg(b）明场像1120ve20nm20nm（c）明场像（d）H A A D F-ST EM 图像图5沉淀相分析Fig.5 The analysis of the precipitation phase2.3力学性能图6 为试验合金室温力学性能测试结果，每个状态测试3根拉伸试样，取3根试样力学性能平均值作为35010RmR96.4300pO2263268A26726725927526682536.12482.506.275.04.54.94.65.16200%/V3.915915651471421481541451501341341003250一00520C/12h520C/16h520C/20h530C/12h5309C/16h5309C/20h5409C/12h5409C/16h540C/20h+200/18h200/18h200/18h200/18h200/18h200/18h200/18h200/18h200/18h图6 力学性能柱状图Fig.6 The histogram of mechanical properties最终测试结果。经过540 2 0 h+20018 h 热处理后，综合力学性能最高，平均抗拉强度为2 7 5MPa、平均屈服强度为156 MPa、断后伸长率为4.9%。3结论（1）铸态显微组织主要由-Mg基体和晶界上的共晶组织组成，共晶组织分为和相相间排列的鱼骨状共晶和不规则块状的离异共晶，（2）固溶处理过程中，共晶相会逐渐消失。在520和530 固溶处理2 0 h后，晶界上的第二相仍然无法完全回溶；540 固溶2 0 h后，高Nd第二相完全回溶，最佳的固溶处理制度为540 2 0 h。（3）540 2 0 h+2 0 0 18 h 热处理后，合金最有最佳的力学性能，平均抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为2 7 4.58 MPa，155.9 4M Pa 和4.9 4%。（4）时效后的沉淀相以晶面为惯习面，并且该相有由微小且相互平行的环状结构组成。8372023年第7 期/第7 2 卷有色合金FOUNDRY铸造参考文献：LI Jilin,CHEN R S,WEI K E.Microstructure and mechanical properties of Mg-Gd-Y-Zr alloy cast by metal mould and lost foam casting JJ.Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2011,21（4）:7 6 1-7 6 6.2LI J,HE Z,FUP,Peng L,et al.Heat treatment and mechanical properties of a high-strength cast Mg-Gd-Zn alloy JJ.Materials Science&EngineeringA，2 0 16,6 51（1）：7 45-7 52.3 汤伊金，章桢彦，靳丽，等.Mg-Gd系合金时效析出研究进展.中国有色金属学报，2 0 14，2 4（1）：9-2 4.4丁文江，吴国华，李中权，等.轻质高性能镁合金开发及其在航天航空领域的应用J.上海航天，2 0 19，36（2）：1-8.5 刘祚时，谢旭英.镁合金在汽车工业中的应用1.江西冶金，19 9 8，18（5）：3-7.6杨程，杜红星，刘晓平.镁合金在3C产品中应用现状及前景展望.铸造设备与工艺，2 0 0 5（6）：47-49.7付彭怀.Mg-Nd-Zn-Zr合金微观组织、力学性能和强化机制的研究D.上海：上海交通大学，2 0 0 9.Effect of Solution Treatment on Microstructure and Mechanical Propertiesof Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr Magnesium AlloyLI Meng,ZOU Wen-bing,ZHANG Xu-liang,PAN Long,LI Bao-huiz,CHU Jie(1.Xinjiang Technology(Jiangsu)Co.,Ltd.,Nantong 226100,Jiangsu,China;2.Shanghai Aerospace Precision MachineryResearch Institute,Shanghai 201600,China)Abstract:The effect of solution treatment on the microstructure and mechanical properties of Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zrmagnesium alloy was studied using optical microscopy,scanning electron microscopy,transmission electronmicroscopy,and room temperature tensile machines.The results showed that the microstructure of the as-castalloyswas mainly composed of-Mg matrix and eutectic microstructure at grain boundaries.During solutiontreatment,the eutectic phaseswith high Zn contentwere disappear,whilethe second phases with low contentof Zn were observed,it was completely disappeared after solution treatment at 540 f o r 2 0 h.T h e r e f o r e,t h eoptimal solution treatment system was 540 C 20 h.After solution and subsequent aging treatment,anewfine precipitateswere observed within the-Mg matrix,and its habit plane was(1120)mg crystal face,whichhelped to achieve more better strengthening effect.The optimum mechanical properties of the alloy could begained after heat treatment at 540 C 20 h+200 18 h,t h e a v e r a g e t e n s i l e s t r e n g t h,y i e l d s t r e n g t h,a n delongation after fracture were 274.58 MPa,155.94 MPa,and 4.94%.Keywords:microstructure;mechanical properties;eutectic microstructure;solution treatment;aging treatment（编辑：刘东辉，）