摘 要:以純鎂和 Mg-30Ce中間合金為原料鑄造鈰質量分數為 1% 的 Mg-Ce合金,并進行 420 ℃×8h固溶和200 ℃×20h時效處理,研究了不同狀態時合金中稀土相分布的變化規律。 結果表明:鑄態、固溶態和時效態合金中的稀土相均為 Mg12Ce;鑄態合金中的稀土析出相分布不均 勻,以晶界處析出為主,晶粒內析出為輔,且析出相尺寸、形貌差異較大;固溶處理后,稀土相大多溶 解于鎂基體,但晶界處和部分晶粒內仍有一定量殘余;時效處理后稀土相在晶粒內重新均勻、彌散 析出,晶界處析出量較少,與鑄態合金相比,析出相尺寸更加細小、分布更加均勻。

關鍵詞:鈰元素;鎂稀土合金;稀土相;固溶時效處理 

中圖分類號:TG456 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)01-0056-05

0 引 言

國內的稀土礦中,各種稀土元素(RE)的分配極 不平衡[1-3]。近年來,稀土元素已大規模應用于功能 材料的生產,鐠(Pr)、釹(Nd)、釓(Gd)、鏑(Dy)等稀 土元素的需求量大幅增加,造成部分稀土資源緊缺, 而鑭(La)、鈰(Ce)、釔(Y)等稀土元素因高豐度而被 大量積壓[4-5]。如何合理利用高豐度稀土資源已成 為資源集約化利用的重要課題之一[6-8]。

稀土元素具有獨特的核外電子結構,大部分稀 土元素的 晶 體 結 構 與 鎂 元 素 相 似,均 為 密 排 六 方 (hcp)結構,因此在鎂合金中具有較高的固溶度[9]。 某些 Mg-RE合金中的亞穩相為六方結構(超點陣 結構,DO19),易與鎂基體形成共格、半共格關系[10]。 因此,稀土元素被認為是高性能鎂合金中最具使用 價值和發展潛力的合金化元素[11]。將高豐度稀土 作為鎂合金的合金化元素,是制備低成本、高性能鎂 稀土合金的重要方法之一,也是解決高豐度稀土積 壓問題的途徑之一。 

稀土元素的添加能夠顯著提高鎂合金的常溫和 高溫強度[12],有利于鎂合金在輕量化航空航天器材 方面的應用。稀土元素對鎂合金的強化效果主要取 決于鎂稀土合金中稀土相的形態及分布[12-13]。目 前,國內外對添加高豐度稀土元素鎂合金的研究主 要集中在 Mg-RE系多元合金中稀土相的演變和分 布規 律 方 面。 劉 偉[14] 研 究 了 Mg-7Gd-5Y-1Nd- 0.5Zr合金中稀土相的析出行為,分析了稀土相的 分布規律,發現添加釔、釓、釹稀土元素后,鎂合金的 主要析出相轉變為 Mg12RE 相,且稀土元素的添加 顯著減少了 Mg17Al12 相的形成。樊昀等[15]對 Mg- Y-Zn-Zr超細晶鎂合金進行不同溫度、不同時間的 退火處理,研究了稀土相的微觀形貌及分布規律,發 現稀土相主要在晶界位置析出,而晶界位置析出的 第二相將阻礙晶粒長大。朱文杰等[16]研究了鈰稀 土元素 對 Mg-5Al-2Si合 金 中 已 經 存 在 的 第 二 相 Mg2Si的影響,發現鈰元素的加入改變了 Mg2Si的 尺寸、形貌和分布,并形成了細 小 的 Al11Ce3 相 和 CeSi2 相。董天順等[17]通過銅模噴鑄法制備了細晶 Mg-Ce中間合金,并用其對 AZ91D 鎂合金進行了 變質改性,發現 Mg-Ce中間合金中的第二相主要為 Mg12Ce相,而添加 Mg-Ce中間合金改性的 AZ91D 鎂合金中原有的 Mg17Al12 相變得更為細小、均勻, 并形成了 Al4Ce針狀第二相。杜金星等[18]研究發 現,固溶和時效處理后,析出的稀土相在鎂合金基體 中彌散分布,有效釘扎位錯阻礙晶界滑移,從而大幅 提高了 Mg-Y-Zn-Ag四元合金的抗拉強度和斷后 伸長率。目前,對鎂稀土合金的研究主要集中在多 元合金體系中稀土元素對原有合金體系析出相的影 響機制上,并沒有深入探討鎂基體與高豐度稀土元 素之間的相互作用機理,難以清晰地揭示各種熱處 理條件下稀土相的固溶和析出行為。因此,作者采 用鑄造工藝制備了鈰元素質量分數為1%的 Mg-Ce 合金,研究了固溶和時效熱處理工藝對該合金中稀 土析出相分布的影響機制,為進一步闡明鎂稀土合 金制備過程中的稀土相調控規律提供幫助。

1 試樣制備與試驗方法 

試驗材料為純鎂錠和 Mg-30Ce中間合金,純鎂 錠的化學成分見表1。采用 QSH-VCF-1200T 型熔 煉爐制備 鈰 元 素 含 量 (質 量 分 數,下 同)為 1% 的 Mg-Ce合金,熔煉溫度為720 ℃,保護氣體為 CO2 和SF6 混合 氣 體,熔 煉 時 先 在 石 墨 坩 堝 中 放 入 鎂 錠,待其完全熔化后,加入 Mg-30Ce中間合金,熔煉 20min后扒渣并靜置10min,在金屬模具中澆鑄, 得到規格為?100 mm 的合金鑄錠;熔煉中稀土元 素的燒損率按80%計算。

采用線切割在 Mg-Ce合金鑄錠的同一位置切 取片狀鑄態試樣,在熱處理爐中進行420℃保溫8h 固溶處理,再進行200 ℃保溫20h時效處理。采用 線切割在鑄態、固溶處理和時效處理試樣上截取金 相試樣,經鑲嵌、打磨、拋光,用由1g草酸、1mL 硝 酸和 98 mL 水 配 制 得 到 的 溶 液 腐 蝕 后,采 用 LV150NA 型光學顯微鏡(OM)觀察顯微組織。采 用ZEISSEVO MA10 型掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察微 觀 形 貌,并 采 用 附 帶 的 X-Max 型 能 譜 儀 (EDS)進行微區成分分析。

2 試驗結果與討論 

2.1 顯微組織與微區成 分

由圖1可知:鑄態 Mg-Ce合金平均晶粒尺寸約 為100μm,晶粒尺寸均勻性較差;晶粒中存在大量 坑點和少量析出相,初步判斷該析出相為稀土析出 相,坑點則是在金相腐蝕中析出相溶解形成的[19]; 析出相分布均勻性較差,且尺寸大小不一。析出相 的不均勻分布主要是溶質本身的非均勻分布以及成 分偏析導致的。固溶處理合金的平均晶粒尺寸約為 95μm,晶粒大小均勻;大部分晶粒中未出現明顯坑 點,部分則仍然存在析出相腐蝕形成的坑點,這表明 析出相大部分溶解于鎂基體中,但溶解不完全。時 效處理合金的晶粒形貌與鑄態試樣高度相似,平均 晶粒尺寸也相近,約為100μm,但時效處理后的析 出相尺寸更小,且分布更為均勻、密集。

由圖2可知:鑄態和不同熱處理后Mg-Ce合金中的析出相均主要由鎂和鈰兩種元素組成,且兩種 元素的原子比基本不變,固溶處理和時效處理均未 改變析出相的種類;根據元素含量比,推斷該析出相 為 Mg12Ce相[20]。鑄態合金的析出相中還檢測出了 極少量的碳元素,這可能是石墨坩堝中的碳元素擴 散導致的[21]。 

2.2 圍觀形貌

由圖3形可知:鑄態及不同熱處理后 Mg-Ce合金 均由深色的鎂基體和淺色的顆粒狀或長條狀稀土析 出相組成;稀土相的分布形式主要有兩種,一種連續 分布在晶界處,一種在鎂晶粒內呈彌散分布。鑄態 合金中,稀土相以晶界處析出為主,以晶粒內析出為 輔,這是由于在凝固過程中,隨著晶粒長大,稀土元 素主要在結晶前沿(即晶界)處富集;稀土析出相的 形貌、尺寸差異較大,其中,顆粒狀析出相較多,其直 徑在2~3μm,長條狀析出相較少,其長約為10μm, 寬約為2μm。固溶處理后,稀土析出相大多溶于鎂 合金基體,但在晶界和部分晶粒內仍有部分殘留,這 與鈰元素在鎂合金中的固溶度較低,僅為0.52%有 關[22]。鈰在鎂基體中的固溶易引起鎂基體的晶格 畸變,改變鎂晶體的晶格常數,進而增加位錯,阻礙 位錯滑移,這在一定程度上能夠提高鎂合金的力學 性能[23]。時效處理后,稀土相重新彌散出現在鎂晶 粒內,呈細小的顆粒狀和短棒狀;與鑄態合金相比,時效處理合金中的析出相更加細小、均勻。另外,時 效處理后,晶界處稀土相的析出量與固溶處理后相 比差別不大,但晶粒內部的析出量明顯增多,這表明 Mg-Ce合金的稀土相在時效處理時的析出機理為 在鎂晶粒內以中間相的形式均勻、彌散析出[19,24-25]。 時效處理后產生的顆粒狀稀土相能夠釘扎晶界,增 加位錯堆積,有效阻礙位錯的滑移,抑制再結晶晶粒 長大,從而提高鎂合金的屈服強度,并使鎂合金在熱 變形時維持較強的延展性[26]。

由圖4可 知,固 溶 處 理 合 金 的 晶 界 處 出 現 鎂 元素和鈰元素的密集,這表明固溶處理后,晶界處 存在大量 稀 土 析 出 相。另 外,晶 界 處 的 析 出 相 呈 不連續的顆 粒 狀,這 可 能 是 添 加 的 鈰 含 量 較 低 導 致的。

3 結 論

(1)鑄態、固溶以及固溶+時效處理后 Mg-Ce 合金中的析出相均為 Mg12Ce,熱處理工藝并未影響 析出相的組成。 (2)鑄態 Mg-Ce合金中稀土析出相的分布不 均勻,以晶界析出為主,以晶粒內析出為輔,晶粒內 的稀土相呈顆粒狀和長條狀,其尺寸、形狀差異較 大;固溶處理后,稀土相大部分溶解于鎂基體,但晶 界處和部分稀土相分布較多的晶粒內仍有少量殘 留;時效處理后,稀土相在鎂晶粒內重新均勻、彌散 析出,晶界處稀土相析出量較少,時效處理顯著提高 了析出相的均勻性。

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< 文章來源>材料與測試網 > 機械工程材料 > 46卷 >