理论与实践：Zr对Mg97Y2Cu1合金组织与性能的影响

    作者：郑晓敏

    镁合金具有密度小、导热性好及抗电磁波干扰能力强等优点，在航空航天、汽车等领域均得到了广泛的应用口。长周期堆垛有序结构增强镁合金具有很好的室温和高温力学性能，明显优于传统的商用镁合金，是一种具有广泛应用前景的新型结构材料。KAWANU-RA Y等在铸态Mg97Y2 Cu1合金中发现了18R的长周期结构相，但是铸态的长周期结构相增强的Mg97Y2 Cui合金由于其晶粒的粗大和长周期结构相的不均匀分布，导致其力学性能较差。

    Zr是镁合金有效的晶粒细化剂，一般都会通过添加Zr来细化晶粒，除了Mg-Al系合金。目前关于Zr元素细化镁合金的研究虽然很多，但关于Zr对长周期结构相增强Mg-Y-Cu合金凝固组织和力学性能的研究报道较少。为此，本课题研究了不同Zr加入量对长周期结构增强Mg97 Y2 Cui合金凝固组织及力学性能的影响，希望为铸态长周期结构相增强镁合金力学性能的提高提供参考。

1  试验材料与方法

    试验合金为Mg97 Y2 Cui合金，由99. 96%的纯镁、Mg-30Y和Mg-30Cu中间合金熔炼而成。Zr以Mg-302r中间合金方式加入，其加入量（质量分数）分别为0、0. 4%、0.8%及1.2%。采用低碳钢坩埚，在99.5%的C02 +0. 5%的SF6混合气体保护下于坩埚电阻炉中熔炼合金。待合金完全熔化后搅拌，使成分均匀，精炼并保温10 min，于720℃浇注到预热至180℃的石墨铸型(高为70 mm，内径为25 mm，壁厚为3 mm)内，得到圆柱形合金试棒。

    将制备好的金相试样经研磨、抛光后，采用体积分数为2%的硝酸酒精溶液腐蚀。采用金相显微镜进行光学显微组织观察，ImagePro图像分析处理软件计算合金中长周期结构相的体积分数．X射线衍射仪确定合金的相组成，在配有能谱分析仪的Quanta 200型扫描电镜上进行微区成分分析；差热分析在Perkinelmer型综合热分析仪上进行，试验温度范围为室温～700℃，升温速度为10℃／min，以高纯Ar为保护气体。按GB/T6397-86制备室温力学性能拉伸试样，在WDW-200D型材料实验机上进行拉伸试验，采用Quanta 200型扫描电镜观察拉伸断口形貌。

2  试验结果与分析

2.1    Zr对合金凝固组织的影响

    图1为不同Zr含量下合金的初生相形貌。可以看出，Zr对合金的初生相具有显著的细化作用，但随含量不同其细化效果存在一定的差异。未添加Zr时，初生相为粗大的蔷薇状晶体，其平均晶粒尺寸为320 μm左右；随着Zr含量从0.4%增加到0.8%，晶粒细化效果愈加明显，晶粒由粗大的蔷薇晶体变为细小的等轴晶，晶粒细化效果最好，其平均晶粒尺寸达到70 μm左右；当Zr含量进一步增加至1.2%时，初生晶粒变化不明显。未加入Zr时，合金的初生晶粒长大不受抑制，形状呈粗大的蔷薇状；加入Zr后，Zr先以a-Zr质点析出，而a-Mg固溶体包在a-Zr质点外部生成包晶组织，在凝固时a-Zr能够成为a-Mg的形核核心，为合金液提供异质形核质点，提高了合金的形核率，使得合金的初生晶粒显著细化，粗大的蔷薇晶变为细小的等轴晶。当Zr含量增至1. 2%时，超过了Zr在合金熔体中的最大溶解度，多余的Zr起不到细化作用，因此晶粒也不再进一步细化。

    图2为不同Zr含量下合金的第二相形貌。其中黑色衬度相为a-Mg基体相，浅白色衬度相为第二相。可以看出，未添加Zr时，第二相呈网络状分布在晶界上，其体积分数约为11%；随着Zr含量的提高，第二相的分布变得越来越均匀，且体积分数逐渐提高；当Zr含量为1. 2%时，第二相的体积分数提高至22%左右。合金的第二相主要是在围绕于a-Mg基体的晶界上形成，因此细小、均匀的等轴晶有利于改变第二相的分布。

    图3为不同Zr含量下合金的XRD图谱。可以看出，未加入Zr时，合金组织主要由a-Mg基体相和长周期结构相Mg12Y1Cu1组成，且存在少量的MgY相；当加入不同量的Zr后，在XRD图谱中出现了新的Cu2r2相，并且随着Zr含量的提高，Cu2r2的衍射峰数量有所增加。

    图4和表1是Zr含量为1.2%的合金铸态组织的EDS微区成分分析及结果。从Zr元素面分布的结果中可以看出（见图4b），少部分Zr在微区偏聚，分布在颗粒状的生成相中，其余的Zr弥散分布在a-Mg基体中，成为合金异质形核质点。结合图4和表1可以看出，在第二相的点2中Mg、Y、Cu的摩尔比接近12:1:1，应该为18R型的长周期结构相Mg12 Y1 Cu1；

在点3中Mg和Y的摩尔比接近1：1，应该为颗粒状的MgY相；在a-Mg基体点4中Cu和Zr的摩尔比接近1：2，应该为Cu2r2相。能谱分析的结果与XRD的分析结果基本一致。

    图5和表2分别为不同Zr含量合金的DTA升温曲线图和曲线特征值。可以看出，合金存在两个吸热峰，分别为共晶反应峰和合金熔化峰；加入Zr后，合金的共晶反应峰值温度TE，基体放热峰值温度Tu和合金的熔化峰值温度TL都发生了不同程度的变化；随着Zr含量的提高，合金的共晶反应峰和合金熔化峰稍有提前，基体放热峰逐渐向后推移，且滞后程度增加。基体放热峰向后推移，峰值温度Tu随着Zr含量的提高而逐渐提高，这是由于在添加Zr合金化后，合金有了新的Cu2r2相生成，并分布在a-Mg基体中，与基体a-Mg相互交融，造成a-Mg相变过程中需要更多的能量，因此，加入Zr后合金的DTA放热峰稍有滞后。结合表2中可以看出，加入Zr后，合金的液相线会有不同程度的降低，熔体的过热度也会随之变化，有利于改善熔体的流动性。

2.2    Zr含量对合金力学性能的影响

    图6为不同Zr含量合金的力学性能。可以看出，随着合金中Zr含量的增加，合金的抗拉强度及伸长率逐渐提高；当Zr含量由0增至0.8%时，抗拉强度及伸长率显著提高；当Zr含量增至1.2%时，合金的抗拉强度和伸长率分别为218 MPa和9.4%，较未合金化处理的试样分别提高了26%和62%，但和训(Zr)=0.8%时相比，变化不明显。

    合金晶粒的大小，对晶体的各种性能都有影响，其中影响最大的就是力学性能。金属材料的强度和晶粒尺寸的关系可由Hall-Petch公式表示：

式中，σ为金属材料的屈服强度；σo和k为与材料有关的常数；d为晶粒平均直径。由式(2)可知，加入Zr后，合金的晶粒逐渐细化，因此力学性能逐渐提高。当Zr含量为1.2%时，虽然合金的抗拉强度提高较少，但伸长率提高明显；当合金中Zr含量超过o．8%时，晶粒不再细化，但Zr元素能起到净化合金熔体和改善铸造性能的效果，因此，合金的伸长率有所增加。Mg97Y2 Cu1合金为长周期结构相强化的合金，其性能除了取决于晶粒尺寸，还受长周期结构相的分布和体积分数的影响。加入Zr后，第二相的分布变得更加均匀，且体积含量有所提高，这使得合金失效时会遇到更多的阻碍，需要更大的外加应力才能使位错越过第二相而继续滑移，从而提高了合金的强度；这样，材料在失效之前会承受较大的变形量，所以就可以得到较大的伸长率，也就提高了合金的塑性。另外，在合金添加Zr以后，合金晶粒内部出现少量弥散分布的Cu2r2相颗粒，会阻碍位错的滑移，导致变形后产生较大的加工硬化，这也有利于合金力学性能的提高。

    图7是未添加Zr和Zr含量为1.2%的合金拉伸断口的SEM形貌。可以看出，未添加Zr时，试样的断口比较光滑平坦，呈板条状分布，具有少量的条状撕裂棱且有明显的解理台阶，呈典型的解理脆性断裂特征；经Zr合金化处理后，试样的断口存在稍许较深的大孔径的韧窝，周围分布着许多短而弯曲的撕裂棱，呈典型的准解理断裂特征。产生这种现象的原因应该是加入Zr后，晶粒显著细化，第二相的分布及体积含量变化等共同作用的结果。

3  结  论

    (1)在0N1. 2%的范围内，随着Zr含量的提高，Mg97Y2 Cu1合金的初生相尺寸显著减小，第二相分布变得均匀，且体积含量提高。

    (2) Mg97Y2 Cu1在合金中加入Zr后，会生成颗粒状的Cu2r2相，分布在a-Mg基体中。

(3)随着Zr含量提高，其力学性能逐渐提高；当Zr含量为1. 2%时，抗拉强度和伸长率分别为218 MPa和9. 4%，较未添加Zr的试样分别提高了26%和62%。

4摘要:

研究了O～1.2%的Zr含量对长周期结构增强Mg97 Y2 Cui合金凝固组织和力学性能的影响。结果表明，Zr可以显著细化合金的初生晶粒，使第二相分布变得均匀。在合金中加入Zr后，生成了少量颗粒状的CuZrT相，分布在“Mg基体中。随着Zr加入量的增加，合金的力学性能逐渐提高；当Zr加入量为1.2%时，合金的抗拉强度和伸长率分别为218MPa和9.4%，较未合金化处理的试样分别提高了26%和62%。