【引用格式】
郅玄樂，丁志兵，張帥，等. 熱處理對Mg-Gd-Y-Zn-Ti合金微觀組織和性能的影響［J］. 特種鑄造及有色合金，2024，44（3）：392-397.
Citation:ZHI X L， DING Z B， ZHANG S， et al.Effects of heat treatment on microstructure and properties of Mg-Gd-Y-Zn-Ti alloy［J］.Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（3）：392-397.
鎂合金由于輕量化、比強度高、熱成形性能好、易于回收等特點得到研究者重視，但在塑性、強度以及耐腐蝕性等方面較弱，限制了其在工程方面的應用。是以，研究者使用了多種方法來改變材料的力學性能，如合金化、大塑性變形、引入新的強化相等。其中，含稀土鎂合金因其在力學性能方面的綜合表現十分優異而受到廣泛關注。當鎂合金中的稀土元素與過渡元素誰是為一定比例時，能形成長周期堆垛有序（Long period stacking ordered，LPSO）結構，其特有的強化機理和特殊的原子結構得到研究者重視。在含有LPSO相結構的Mg-Y-Zn-Zr合金中，Y、Zn摩爾比被認為是影響LPSO結構生成的關鍵要素，這種第二相可以阻礙位錯運動并且強化基體，是以，LPSO結構越多，強度越高。在含有高含量的Y和Zn的鑄态Mg-Zn-Y合金中，由于含有較多的LPSO結構，阻止了基滑移，對Mg基體産生了強化作用，進而提高了合金的力學性能。對含有LPSO結構的鎂合金，要在強度和塑性之間取得平衡，還需要進一步的研究。
考慮到實際應用的需要，為了更好地開發含LPSO的Mg-RE合金，要對其力學性能進行深入研究。以前的制備方式主要集中在通過添加大量的稀土元素和采用大塑性變形（SPD）工藝來提高強度，但存在以下缺陷：高RE含量鎂合金的高強度與低塑性不比對，特别是在鑄态條件下；犧牲了大量稀土添加造成的密度優勢；由于鑄态合金的初始塑性不理想，難以确定SPD變質參數。
邵陽學院機械與能源工程學院，高效動力系統智能制造湖南省重點實驗室研究團隊在2024年第44卷第3期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了題為“熱處理對Mg-Gd-Y-Zn-Ti合金微觀組織和性能的影響”的文章，作者以鑄态、固溶态和時效态 Mg-Gd-Y-Zn-Ti稀土鎂合金為對象，采用X射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）以及電子拉伸試驗機分析了熱處理對 Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti（品質分數，%）合金（x=0，0.4，0.8，1.2，%）的微觀組織、微區成分、物相組成以及力學性能的影響。結果表明，鑄态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金中存在LPSO相，且LPSO相為Mg12Gd5（Zn，Y）。添加0.8%的Y的合金力學性能最優，其抗拉強度為222 MPa，屈服強度為149 MPa，伸長率為3.76%。固溶處理後力學性能得到了一定的提升，抗拉強度達到了272 MPa，屈服強度達到了188 MPa，伸長率達到了5.4%。加Y合金的峰時效響應強烈，峰時效态Mg-12Gd-1Zn-0.6Ti-0.8Y合金的力學性能最佳，其抗拉強度達到了388 MPa，屈服強度為267 MPa，伸長率為6.44%。
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【研究方法】
試驗合金為Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金（x=0、0.4、0.8、1.2，品質分數，%），合金的設計成分見表1。試驗材料選擇純鎂（99.90%）、純鋅（99.99%）、純钛粉（99.99%）、Mg-30Gd和Mg-30Y中間合金，熔煉前所有原料均進行幹燥和去除表面氧化物處理，采用中頻感應爐熔煉，溫度為 750 ℃。使用柱狀不鏽鋼坩埚，同時通入氩氣保護，待合金完全熔化後保溫5 min，自然冷卻後取出。結合之前的研究成果，采用的熱處理工藝分别為：500 ℃×8 h固溶，500 ℃×8 h固溶+220 ℃×100 h時效。
采用AL-2700B X射線衍射儀（XRD）分析合金的相組成，采用尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的塊狀試樣，檢測前逐次用500、800、1000、1500以及2000号的砂紙将檢測試樣表面打磨水準，然後在抛光機上對檢測面進行抛光。管電壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描角度為20°~90°，步進角度為0.02°，采樣時間為0.5 h；利用JSM-6610掃描電鏡對鑄态、固溶态以及時效态合金的組織形貌進行觀察。利用自帶的能譜儀（EDS）對晶内、晶界及第二相進行微區化學成分分析，以确定試樣中第二相的種類；采用DHV-1000ZCCD顯微維氏硬度計測量鑄态、固溶态以及時效态的硬度；采用WDW-100D微機控制電子萬能試驗機測試合金室溫下的力學性能，每組測試3次，取平均值，拉伸速率設定為0.2 mm/min。
【研究結果】
鑄态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金組織主要由α-Mg基體、連續的镂空網狀相、灰色魚骨狀相、多邊形相等組成。随着Y含量增加，灰白色的第二相開始增加而且呈網狀分布，黑色的α-Mg相開始減少。大量的第二相聚合在一起出現了塊狀分布。由于Y含量越來越多，合金的組織變得越來越密集，α-Mg相越來越少。分布在晶界處的LPSO相主要由晶界向晶粒内生長，是以 LPSO 相在晶界處形成并向晶粒内延伸，但是仍然有一些地方出現了元素偏析的現象。使用的傳統鑄造工藝，在冷卻過程中時間較短，由于α-Mg基體不斷長大，熔液中會有更多的溶質Y和Zn出現。在最後階段，液相中的x（Y）/x（Zn）和LPSO相的濃度比非常接近，LPSO相析出。另外，随着凝固過程進行，由于溫度降低，溶質擴散速率降低。在局部Y和Zn的濃度也會發生相應變化，同時摩爾比接近W相。在這一冷卻過程中，局部地方沒有充分的Mg原子參與LPSO相的析出，這導緻了随着x（Y）/x（Zn）的增加LPSO相生成可能會減少。
圖1 鑄态Mg-12Gd-1Zn-0.6Ti-xY合金的SEM圖
Fig.1 SEM images of as-cast Mg-12Gd-1Zn-0.6Ti-xY alloys
圖1中的連續镂空網狀相、灰色魚骨狀相、多邊形相分别為W［（Mg，Zn）3Gd］、LPSO相、Mg5Gd。LPSO相通常在鑄态合金中呈現18R-LPSO結構。由于晶界處能量較高、較為混亂，同時Y、Zn元素偏聚嚴重，有利于層錯的形成，這為LPSO相的形成提供了基礎，進而促進了LPSO相的形成。BIAN L P等研究中也發現類似的情況。
圖2 鑄态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的高倍SEM圖
圖3 鑄态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的XRD圖
随着Ｙ含量增加，合金硬度的情況整體變化不大。當加入0.8%的Y時合金的力學性能理想，其抗拉強度（σb）、屈服強度（σ0.2）和伸長率（δ）分别為222 MPa、149 MPa和3.76%，這可能是由于形成了具有高彈性模量和高硬度的18R-LPSO相的緣故。當加入1.2%的Y後，在晶界處會有較多含量的稀土元素偏聚，這也導緻α-Mg固溶體的強化效果較差，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分别隻有205 MPa、136 MPa和3.09%。先前研究結果顯示，具有LPSO結構的合金比純鎂具備更高的強度和硬度，對于提高鎂合金的力學性能十分有利。
圖4 鑄态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金應力-應變圖
圖5 鑄态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的硬度
圖6 鑄态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的力學性能
和鑄态合金相比，經固溶處理後的合金組織中的晶界變得明顯，大範圍的共晶相消失，隻有部分相主要以顆粒狀或者方塊狀存在。圖8為固溶處理後的合金的SEM高倍圖。可以清晰觀察到隻通過傳統的熱處理工藝很難消除鑄造過程中引起的第二相聚集。随着Y含量增加，從圖8b~圖8d中均可以看到層狀LPSO相，其具有較好的力學性能，但是LPSO相的出現也伴随着一些塊狀相的出現，同時增加合金中第二相的數量。LIAO H等研究的Mg-Zn-Y-Gd合金組織演變中也發現了相似的現象。塊狀相是LPSO相在變化中出現的第二産物，主要原因是相鄰的兩種相在生成過程中為了争取稀土元素，造成稀土元素含量在某些地方出現了過高或者過低的現象，而稀土元素塊狀相形核大于向晶内擴散的速度，于是形成了塊狀相。固溶處理後合金中出現LPSO相有兩個方面，第一是因為向合金中加入Y元素後使得Gd元素的固溶度下降，第二是因為向合金中加入Y元素之後層錯能降低。在對含有Y元素的合金進行熱處理後也出現了LPSO相，這是因為LPSO相也是一種層錯。
圖7 固溶态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的SEM圖
圖8 固溶态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的高倍SEM圖
和鑄态合金相比，固溶處理後合金的抗拉強度和屈服強度均有了明顯提升，特别是加入0.8%的Y時，因為LPSO相能夠有效提高合金的強度和韌性。層狀的LPSO相提升了合金的力學性能，但是當加入1.2%的Y後合金的性能有所下降，是由于固溶處理導緻了塊狀相和杆狀相增多，這與LU R P等研究結論一緻。
圖9 固溶态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的應力-應變曲線
圖10 固溶态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的硬度
圖11 固溶态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的力學性能
圖12 峰時效态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的應力-應變曲線
圖13 峰時效态Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金的力學性能
相比于鑄态和固溶态，峰時效處理合金各項性能均大幅度提高，其中以峰時效态添加0.8%的Y的力學性能最佳。這是因為經過低溫時效處理後，合金内部析出了數量衆多的富稀土相，并且合金還含有數量較多的LPSO相以及具有高溫穩定性的未溶的第二相，這些強化相的存在使得合金的綜合性能提高。
圖14 Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金在220 ℃下的時效硬度變化
【研究結論】
（1）Mg-12Gd-xY-1Zn-0.6Ti合金鑄态組織出現粗大枝狀，同時出現不連續的網狀分布，經固溶處理後大部分枝晶溶入鎂基體，隻有少量顆粒狀、方塊狀相未溶，經過時效處理後方塊相呈現出逐漸長大的趨勢，特别是在晶界處方塊相的數量長大明顯。
（2）在經過500 ℃×10 h固溶、500 ℃×10 h固溶+ 225 ℃×80 h時效之後，Mg-12Gd-0.8Y-1Zn-0.6Ti合金表現出了理想的力學性能。
（3）Mg-12Gd-0.8Y-1Zn-0.6Ti合金經過固溶時效處理後，力學性能明顯提高，抗拉強度、屈服強度和伸長率由鑄态的222 MPa、149 MPa和3.76%提高到388 MPa、267 MPa 和6.44%，分别提高了74%、79%和71%。同時合金的固溶強化和析出強化效果明顯。