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Mg-15Gd-0.6Zr合金的组织与力学性能

来源期刊:中国有色金属学报2006年第11期

论文作者:肖阳 张新明 陈健美 蒋浩

文章页码:1888 - 1894

关键词:Mg-Gd-Zr合金; 耐热镁合金; 微观组织; 力学性能; 时效特性; 断裂方式

Key words:Mg-Gd-Zr alloy; heat-resistant magnesium alloy; microstructures; mechanical properties; aging characteristics; fracture mode

摘    要:通过在Mg-Gd二元合金中添加少量的Zr后制备一种新型的Mg-15Gd-0.6Zr合金, 并对合金的微观组织、 时效特性和不同温度下的力学性能及拉伸断裂方式进行研究。 合金在非平衡凝固过程中容易形成MgxGd(x=2, 3, 5)相, 但用热处理的方法几乎不可能消除。 在合金的Cast-T5、 Cast-T6、 Ext-T5和Ext-T6的4种时效状态中, Ext-T5态达到峰值硬度的时间最短, 峰值硬度值最高; 而Cast-T5态的则相反。 合金具有较高的耐热强度和延伸率, 其在不同温度下的抗拉强度与WE54的相当, 而延伸率明显优于WE54及其它耐热镁合金的。 合金在25 ℃时的断裂方式以准解理断裂为主, 而250 ℃时的断裂方式以微孔聚集型断裂为主, 300 ℃和350 ℃时的断裂方式以典型的微孔聚集型断裂为主。

Abstract: A new Mg-15Gd-0.6Zr alloy was developed by adding minor Zr to Mg-Gd binary alloy. The microstructures, aging characteristics, mechanical properties and fracture modes at 25, 250, 300 and 350 ℃ were investigated. A large number of MgxGd (x=2, 3, 5) phases form due to non-equilbrium solidification which can be hardly eliminated by subsequent heat treatments. Among Cast-T5, Cast-T6, Ext-T5 and Ext-T6, the highest hardness in the shortest time is in the Ext-T5 temper, while the lowest hardness in the longest time is in the Cast-T5. The tensile strengths of the alloy at the studied temperatures are as high as that of WE54 alloy, but the elongations are higher than those of WE54 alloy and some other conventional heat resistant magnesium alloys. The fracture modes of quasi-cleavage and microviod coalescence are dominant at 25 and 250 ℃, respectively, while at 300 and 350 ℃, the typical microviod coalescence are observed.



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Mg-15Gd-0.6Zr合金的组织与力学性能

肖 阳, 张新明, 陈健美, 蒋 浩

(中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083)

摘 要: 通过在Mg-Gd二元合金中添加少量的Zr后制备一种新型的Mg-15Gd-0.6Zr合金, 并对合金的微观组织、 时效特性和不同温度下的力学性能及拉伸断裂方式进行研究。 合金在非平衡凝固过程中容易形成MgxGd(x=2, 3, 5)相, 但用热处理的方法几乎不可能消除。 在合金的Cast-T5、 Cast-T6、 Ext-T5和Ext-T6的4种时效状态中, Ext-T5态达到峰值硬度的时间最短, 峰值硬度值最高; 而Cast-T5态的则相反。 合金具有较高的耐热强度和延伸率, 其在不同温度下的抗拉强度与WE54的相当, 而延伸率明显优于WE54及其它耐热镁合金的。 合金在25℃时的断裂方式以准解理断裂为主, 而250℃时的断裂方式以微孔聚集型断裂为主, 300℃和350℃时的断裂方式以典型的微孔聚集型断裂为主。

关键词: Mg-Gd-Zr合金; 耐热镁合金; 微观组织; 力学性能; 时效特性; 断裂方式 中图分类号: TG146.2

文献标识码: A

Microstructures and mechanical properties of Mg-15Gd-0.6Zr alloy

XIAO Yang, ZHANG Xin-ming, CHEN Jian-mei, JIANG Hao

(School of Materials Science and Engineering, Central South University,Changsha 410083, China)

Abstract: A new Mg-15Gd-0.6Zr alloy was developed by adding minor Zr to Mg-Gd binary alloy. The microstructures, aging characteristics, mechanical properties and fracture modes at 25, 250, 300 and 350℃ were investigated. A large number of MgxGd (x=2, 3, 5) phases form due to non-equilbrium solidification which can be hardly eliminated by subsequent heat treatments. Among Cast-T5, Cast-T6, Ext-T5 and Ext-T6, the highest hardness in the shortest time is in the Ext-T5 temper, while the lowest hardness in the longest time is in the Cast-T5. The tensile strengths of the alloy at the studied temperatures are as high as that of WE54 alloy, but the elongations are higher than those of WE54 alloy and some other conventional heat resistant magnesium alloys. The fracture modes of quasi-cleavage and microviod coalescence are dominant at 25 and 250℃, respectively, while at 300 and 350℃, the typical microviod coalescence are observed.

Key words: Mg-Gd-Zr alloy; heat-resistant magnesium alloy; microstructures; mechanical properties; aging characteristics; fracture mode

   加入稀土元素合金化能显著提高镁材料的强度和耐热温度[1-2], 国外已将耐热镁稀土合金应用到导弹舱体、 卫星结构件、 飞船框架、 发动机引擎盖、 发动机汽缸体和变速箱壳体等零部件上。 Mg-Y-Nd系中WE54合金已成为目前公认的优秀商业化耐热镁合金, 其耐热温度可达300℃。 我国目前使用较好的耐热镁合金是ZM6, 其耐热温度可达250℃。 由于国内外在耐热镁合金方面存在着巨大的差距, 因此在我国研发出新型的高性能耐热镁合金势在必行。

镁稀土合金的发展历程从Mg-Re系、 Mg-Th系、 Mg-Y系过渡到目前的Mg-Gd系合金。 由于Mg与Gd间的原子间结合力大, Gd与Mg的原子半径差接近固溶上限的15%, 且Gd在Mg中的固溶度可达23.5%(质量分数), 合金的固溶强化和时效强化效果明显。 时效析出的Mg5Gd相的熔点高、 热稳定性好, 致使Mg-Gd系合金具有强度高、 耐热性好的优点[3]。 美国空军部的技术报告中曾指出Mg-Gd系合金在航空航天领域中有着非常好的应用前景[4]

Drits等[5-7]最早对Mg-Gd二元合金的力学性能进行了研究, 发现Mg-22Gd合金的室温强度可达到400 MPa以上、 耐热温度可达到350℃, 但其室温下的延伸率不到2%, 低的延伸率严重限制了其应用。 日本学者也对Mg-Gd二元合金在不同温度下的力学性能进行了研究[8-10], 认为含Gd量小于10%的Mg-Gd二元合金尽管其延伸率可达到10%, 但含Gd量较少, 引起时效析出的强化相也较少, 导致合金的强度和耐热性能较差; 含Gd量大于20%的Mg-Gd二元合金的强度高, 但延伸率却极低; Mg-15Gd合金的强度、 延伸率及耐热性则介于两者之间, 其综合性能较好。 Zr在镁合金中是一种非常有效的晶粒细化剂[11], 本文作者尝试在Mg-15Gd合金中加入少量的Zr, 分析Mg-15Gd-0.6Zr合金的组织与力学性能, 为今后的耐热镁合金设计提供实验依据。 目前, 国内外还没有关于Mg-Gd-Zr三元合金的相关文献报道。

1 实验

用普通电阻炉进行熔炼, 合金元素以Mg-24%Gd和Mg-30%Zr中间合金的形式添加, 用自制的熔剂进行熔体表面覆盖, 合金的熔炼及浇造温度分别为780和760℃, 熔体浇注到d60mm×150mm的薄壁铁筒中进行水冷成锭, 铸锭的冷却速度保证在1min内冷却到100℃以下。 合金成分在JY38S型等离子体原子光谱仪上进行分析, 分析结果为Gd-13.5%、 Zr-0.4%、 Mg为余量。

铸锭在520℃进行24h的均匀化退火, 用500t的挤压机进行正向挤压, 挤压温度为430℃, 挤压比λ=16, 挤压速率为1m/min。

对合金的铸态、 铸锭固溶态、 挤压态和挤压固溶态在225℃进行不同时间的时效, 其中铸锭固溶工艺为520℃保温24h后水淬, 挤压棒材的固溶工艺为520℃保温2h后水淬。 用HV-10型小负荷维氏硬度计测量合金时效后的硬度, 载荷为98N, 加载时间为30s。 通过硬度测量选择硬度值最高的时效状态, 然后比较这种状态在200、 225和250℃ 3种温度下的力学性能, 分析了温度对时效性能的影响。

拉伸试棒沿挤压棒材的纵向取样、 并按GB6397—86标准统一制成d8mm的短比例试样。 在CSS44100电子万能试验机上进行室温拉伸, 拉伸方法按照GB/T228—2002标准进行; 在Instron 8032试验机上进行高温拉伸, 拉伸方法按照GB/T4338—1995标准进行, 预设的实验温度保证在1h内升到, 试样经15min的保温后开始加载拉伸。 室温和高温的拉伸速率统一为0.5mm/min。 用D/max-rA型转靶X射线衍射仪进行相分析, 用XJP-6A型立式光学显微镜进行金相观察, 用KYKY2800型扫描电镜和Sirion200场发射扫描电镜及附带的Genesis 60S能谱分析仪进行组织分析。

2 结果与分析

2.1 合金的微观组织

图1所示为合金铸态、 铸锭固溶态和挤压态的纵截面和横截面金相组织。 文中没有给出合金的时效组织, 因为时效析出相的尺寸较小, 用金相显微镜分辨不出时效前后组织的差异。

图1(a)所示为合金的铸态组织。 可看出, 合金在凝固过程中产生大量的枝晶, Gd元素在枝晶臂上富集。 图1(b)所示为合金经过520℃、 24h均匀化退火后的组织。 可看出, 合金的枝晶偏析消除, 晶界清晰, 晶粒大小为50~200μm, 枝晶的消除表明合金的均匀化工艺制定基本合理, 但在晶内还存在未能溶解的黑色相。 图1(c)和(d)所示分别为挤压棒材的横截面和纵截面组织。 由图1(c)和(d)可看出, 挤压棒材的纵截面和横截面的晶粒都呈等轴状, 表明合金在挤压过程中已发生动态再结晶, 这是由于镁合金的层错能较低的缘故[12]。 挤压后晶粒明显细化, 平均晶粒大小约20μm, 未能溶解的黑色相沿挤压方向被拉长或破碎。

为确定金相组织中的黑色相, 对其进行X射线衍射分析, 结果如图2所示。 合金均匀化退火后含有Mg5Gd、 Mg3Gd及Mg2Gd相。 在Mg-Gd-Zr三元合金中, Mg与Zr不形成化合物相。 Gd与Zr也不形成化合物相。 根据二元相图, Mg与Gd在548、 658、 720和756℃分别形成Mg5Gd、 Mg3Gd、 Mg2Gd、 MgGd相, 其中Mg5Gd相的形成温度为548℃, Mg-Gd二元合金的共晶点(熔点)[13]。 而组织中含有Mg5Gd、 Mg3Gd、 Mg2Gd相, 都高于合金均匀化和固溶处理的温度(温度不能高于共晶点), 这是用热处理工艺无法消除的。

图1   Mg-15Gd-0.6Zr合金的金相组织

Fig.1   Optical microstructures of Mg-15Gd-0.6Zr alloy

2   合金均匀退火后的X射线衍射谱

Fig.2   XRD pattern of homogenized alloy

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