Y对挤压Mg―6Gd―xY合金组织及性能的影响

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【摘 要】本文研究了钇对挤压mg-6gd-xy合金的显微组织、时效析出以及常温拉伸性能的影响。结果表明，添加稀土元素Y之后，合金的挤压态组织得到细化，但时效态组织细化不明显，时效后形成镁的稀土相Mg（Gd，Y）的强化相，使抗拉强度提高34～81MPa；合金的显微硬度随Y含量增加提高20HV，时效峰值的出现时间因Y的添加提前35h。

【关键词】Mg-6Gd-xY镁合金；显微组织；时效

【Abstract】Effects of yttrium on the microstructures， aging behavior and tensile property of extruded Mg-6Gd-xY magnesium alloy were investigated. The results indicate that yttrium can refine extruded microstructure of Mg-6Gd-xY magnesium alloy while grain refinement is not obvious at aging stage. RE containing phases Mg（Gd，Y） is formed with RE addition so that tensile strength can be improved from 34MPa to 81MPa at room temperature. The microhardness value was slight raised from 93HV to 113HV. The time of generation of the aging peak value advance 35 hours owning to the addition of the yttrium.

【Key words】Mg-6Gd-xY-0.6Zn-0.5Zr magnesium alloy； Microstructure； Aging

金属镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料。变形镁合金由于具有较高的强度其应用愈加广泛，但也存在室温力学性能较低等缺点。在镁合金中加入稀土元素Y、Gd、Nd等并辅以相应的热处理对提高合金的室温强度有益[1-3]。张继东等人研究了Y对Mg-Zn-Zr系镁合金组织及强度的影响，结果发现Y具有明显的晶粒细化作用，当含量为0.9%时，合金的组织和强度达到最佳。李媛媛等人研究了热挤压镁合金AZ91的微观组织及力学行为，发现固溶和人工时效处理可显著提高合金的室温拉伸性能[4]。Mg-Gd-Y系合金是可热处理强化合金[5-7]，但目前国内外对Mg-Gd-Y系挤压镁合金组织及性能的研究较少，因此本文选用Mg-Gd-Y合金系，探讨Y含量对该合金组织及力学性能的影响，为进一步提高Mg-Gd-Y系合金的强韧性提供理论依据。

1 实验方法

试验合金名义成分见表1。试验材料在坩埚电阻炉中进行熔炼，采用熔剂保护，Gd以Mg-Gd中间合金的形式加入，浇铸成Φ30mm的圆棒。将铸锭经520℃、10h的固溶处理，再将合金在一定的挤压工艺下进行挤压：挤压温度350℃～370℃，挤压比16：1，后经200℃、1～100h的时效处理。采用光学显微镜观察合金显微组织；用402MVDTM数显显微维氏硬度计测量显微硬度；采用拉伸试验机进行拉伸性能测试。

2 实验结果及分析

2.1 Y对Mg-6Gd-xY合金挤压态显微组织的影响

图1为 Mg-Gd-Y系镁合金挤压态显微组织。从图中可以看出，随Y含量的增加，合金晶粒越细小，1#合金晶粒尺寸约15μm，2#合金晶粒尺寸约10μm，3#合金晶粒尺寸约5μm。根据Mg-Y相图可知，Mg-Y的固溶线温度随着Y含量的增大而升高。合金的再结晶温度主要受固溶线温度和形变量影响，当形变量一定的时候，固溶线温度越高的材料再结晶温度越高。Mg-5Y比Mg-4Y、Mg-3Y的固溶温度高30～80℃，因此Y含量越高，变形温度与再结晶温度之间的差距就越小，相当于低温下挤压。挤压温度越低，材料的动态再结晶晶粒越细，由铸锭经过挤压变形合金的晶粒明显细化。

试样经过均匀化处理后挤压变形的合金组织中大量共晶于α-Mg固溶体的第二相随着合金中Y含量的增加而显著减少。Y含量越高，过饱和固溶程度越大；固溶到基体中的第二相数量越多。从图1（c）可以看出合金组织中几乎看不到有第二相的存在，合金晶粒内部未溶解的镁与稀土的化合物几乎都溶入α-Mg固溶体，并且经过挤压变形后，晶界不太明显，合金的晶粒晶界结合都比较紧密。

图2为Mg-Gd-Y系合金在200℃时效70h的显微组织。合金在时效T5态下显微组织均为细小的α-Mg等轴晶组织。相比图1中挤压态组织，晶粒有所增大。随Y含量增加，合金的晶粒尺寸变化较小，晶粒细化程度减弱。由于随着Y含量的增加，在挤压过程中Y固溶在α-Mg基体中，所引起的点阵畸变不大，合金发生变形时产生的抗力不大，储存的能量较低，发生再结晶的驱动力较小，所得的晶粒尺寸变化较小。经过T5处理的2#合金组织中有大量的析出相以弥散的形式分布于α-Mg基体上（ 如图4所示）。

2.2 Y对挤压Mg-6Gd-xY合金显微硬度的影响

图3为1#、2#、3#合金在200℃的时效硬化曲线。从图中可以看出，随着含Y量的增大，合金在不同时效时间的硬度逐渐增大。3#合金比1#合金时效峰值的显微硬度高20HV。随着含Y量的增大，出现时效峰值的时间有所提前。3#合金比1#合金时效峰值的时间提前35h。对于从时效峰值到过时效硬度降低这一过程，高Y含量的合金要比含Y量低的进行得缓慢。

由于合金的时效硬化是通过从α-Mg固溶体中析出细小的析出物而产生的，随着Y量越大，合金中固溶体的过饱和程度越高，析出的第二相颗粒就越多，使得合金的时效硬度上升。也正是由于Y含量高的合金的过饱和程度较高，所以从固溶体中析出便发生得较快，在较短的时效时间内就达到强度和硬度的最大值，使得发生时效硬化转变的过程要比含Y量低的合金早。

2.3 Y对挤压Mg-6Gd-xY合金室温拉伸性能的影响

表2为Mg-Gd-Y合金的室温拉伸性能。从表2看出，随着Y含量的增加，合金的抗拉强度、延伸率明显下降。由于Y含量的增加，在时效过程中晶粒尺寸有所增大（如图2所示），使得抗拉强度、延伸率有所下降。表明低Y含量的合金的变形能力要强与高Y含量的合金。

经过200℃、70h时效后合金的抗拉强度比未时效合金的抗拉强度提高34～81 MPa，表明时效处理可显著增强合金的抗拉强度。由于在时效过程中析出增强相Mg（Gd，Y）相所致（如图4所示）。

3 结论

3.1 Y对挤压Mg-Gd-Y系镁合金具有晶粒细化作用，但效果不明显。

3.2 随Y含量增大，合金显微硬度值有所增加，时效峰值时间提前35h。

3.3 热挤压变形后的时效处理显著提高合金的室温抗拉强度。

3.4 随Y含量增大，抗拉强度、延伸率有所下降。

【参考文献】

[1]J. P. Li， Z. Yang， T. Liu， et al. Microstructures of Extruded Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr and Mg-12Gd-4Y-1Zn-0.5Zr Alloys[J]. Scripta Materialia，2007，56：137-140.

[2]S. M. He， X. Q. Zeng， L. M. Peng， et al. Microstructure and Strengthening Mechanism of High Strength Mg-10Gd-2Y-0.5Zr Alloy[J]. Alloys and Compounds， 2006.

[3]李媛媛，计海涛，申健，等. 热挤压镁合金AZ91的微观组织及其力学行为[J]. 沈阳工业大学学报，2005，27（2）：151-153.

[4]Q.M. Peng， Y.M. Wu， D.Q. Fang， et al. Microstructures and Properties of MgC7Gd Alloy Containing Y[J]. Alloys and Compounds， 2006.

[5]刘宏伟，罗承萍，刘江文. 钇及混合稀土对镁铝锌合金组织与性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金，2003（5）：13-15.

[6]Q.D. Wang， Y. Z. Lu， X. Q. Zeng， et al. Effects of RE on microstructure and properties of AZ91magnesium alloy[J].TransNonferrousMetSocChina，2000，4（10）：235-239.

[7]L. L. Rokhlin. Magnesium Alloys Containing Rare Earth Metals[M].Taylor and Francis，2003， 83.