固溶处理对Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响.pdf
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1、8332023年第7 期/第7 2 卷有色合金FOUNDRY铸造固溶处理对 Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响李蒙1,邹文兵,张旭亮,潘昏龙1,李宝辉,褚杰1(1.新江科技(江苏)有限公司,江苏南通2 2 6 10 0;2.上海航天精密机械研究所,上海2 0 16 0 0)摘要:通过光学显微镜、扫描电镜、透射电子显微镜以及室温拉伸机等仪器设备研究了固溶处理对Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr(w t.%)镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:铸态显微组织主要由-Mg基体和晶界上的共晶组织组成。固溶处理过程中,Zn含量较高的共晶相消失,出现了
2、Zn含量较低的第二相,540 固溶2 0 h后,第二相完全回溶,所以最佳的固溶处理制度为540 2 0 h。经过2 0 0 18 h的时效处理,-Mg基体内部出现了均匀弥散分布新型沉淀相,该相的惯习面为(112 0)g晶面,提高了合金强度。经过540 20h+20018 h 热处理后,合金的力学性能最佳,平均抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为2 7 5MPa,156 M Pa 和4.9%。关键词:显微组织;力学性能;共晶组织;固溶处理;时效处理镁合金具有密度小、比强度高和易于切削加工等优点,已经广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域1-6 。新一代航空发动机要求镁合金构件兼具良好的强度和塑性、
3、高低周疲劳性能以及优异的耐腐蚀性能,Mg-RE系合金的应用将越来越广泛。近年来,以EV31为代表的Mg-Nd系合金在国外航空发动机上得到了广泛应用,该合金具有优异的力学性能、高低周疲劳性能以及优异的耐腐蚀性。为了使合金具有良好的力学性能和铸造性能,同时降低成本,本文设计了新型Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr(质量分数)镁合金,研究了固溶处理对Mg-2Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响。1试验方法和步骤作者简介:李蒙(19 8 7-),男,工程师,主要研究方向为轻合金材料铸造成形技术。E-mail:13506204632163.c0m中图分类号:TG1
4、13;TG146.2文献标识码:A文章编号:10 0 1-49 7 7(2 0 2 307-0833-05收稿日期:2023-03-23收到初稿,2023-05-16收到修订稿。镁合金试样采用粘土砂重力浇注工艺。以纯Mg、纯Zn、M g-30 Nd、M g-2 0 G d 和Mg-30Zr中间合金为原材料。熔炼过程:将纯Mg放入规格为200mm600mm的铁制熔炼内熔化,熔化量为2 0 0 kg,采用四氯乙烷和氩气混合气体进行保护;待熔体温度升至7 50,加入纯Zn、M g-30 Nd、M g-2 0 G d 中间合金,静置5min后然后进行搅拌;待熔体升至8 50 后,加入Mg-30Zr中间
5、合金,待中间合金熔化后进行充分搅拌使得合金成分均匀;当熔体温度降至7 50 后,采用留包进行浇注。切取试样,进行固溶热处理工艺优化,参考类似成分合金的文献报道数据,固溶热处理温度设计为52 0、530 和540,热处理时间为12 h、16 h 和2 0 h;时效热处理制度为2 0 0 15h。采用马弗炉进行固溶处理,炉温精度5;在鼓风炉中进行时效处理,炉温精度5;冷却方式均为空冷。从辅助试棒上加工拉伸试样用于室温力学性能测试,试样标距长度为2 5mm,拉伸试样直径为5mm。采用光学显微镜、扫描电镜和透射电子显微镜对不同状态下的显微组织进行分析。Vol.72 No.72023834铸造FOUND
6、RY有色合金2试验结果2.1铸态显微组织铸态显微组织由-Mg基体和晶界上不连续的共晶组织组成(图1a),晶界上共晶组织分为两类,一类是鱼骨状的共晶组织,-Mg和相相间分布;另一类是离异共晶,-Mg和相互独立,相的形貌为条状或不规则块状(图1b)。图2 和图3为试验合金铸态组织的能谱图,表1为分析结果。鱼骨状共晶组织和离异共晶组织中的相的元素含量基本相同(Spectrum1和2),主要是Mg和Nd元素。从表1可以看出:Mg和Nd的原子百分比分别为9 1.2 9/6.14=14.8 7%和9 1.6 0/5.8 4=15.6 8%,与Mg12Nd块状离异共晶相条获离异共晶相鱼骨状共晶组织20um1
7、0um(a)光学显微组织(b)SEM形貌图1铸态显微组织Fig.1 The microstructure of the as-cast alloyectrurmSpectrum11005050um图2晶界上共晶组织的能谱分析Fig.2 The element distribution of the eutectic structure at grain boundaries$oktrum2YZ150Spectrum2.100Spectrum4Spectrum35050um300200100勾图3晶粒内部不同区域的能谱分析Fig.3 The element distribution of the
8、 different areas within -Mg8352023年第7 期/第7 2 卷有色合金FOUNDRY铸造表1铸态组织的能谱分析结果Table1The energy spectra analysis results ofas-castmicrostructureat%测试位置MgNdGdZnZT191.296.140.761.800.01291.605.840.701.830.04398.961.490.590.100.57464.410.270.090.2234.98相中的Mg和Nd原子百分比接近,与付彭怀等人7 的研究结果相一致。-Mg基体内部的第二相颗粒主要是&-Zr颗粒。2
9、.2热处理过程中的显微组织演变2.2.1固溶处理过程中的显微组织演变图4为试验合金固溶处理过程中的显微组织演变。520固溶处理过程中,晶界上始终分布着未溶的不规则块状第二相;530 固溶处理2 0 h后,显微组织内仍然存在未溶第二相颗粒;540 固溶处理2 0 h,显微组织内的第二相完全回溶,所以最佳的固溶热处理制度为540 2 0 h。2.2.2沉淀析出相分析图5为试验合金经过540 2 0 h+20018 h 热处理后的沉淀相的透射电子显微镜分析。图10 a为沿着0002Mg晶带轴的电子衍射花样,电子衍射斑点为典型的密排六方结构晶体的衍射花样,没有附加的电子衍射斑点出现,为-Mg基体的衍射
10、斑点。从明场像可知:这些沉淀相均匀、细小、弥散分布在-Mg基体中,形貌为短棒状(图5b、),沿着 Mg晶向出现了多种变体(图10 d);在HAADF-STEM图像下,这些沉淀相的衬度明显高于基体。一般来讲,原子序数越大,HAADF-STEM图像中的衬度越亮,Nd、G d和Zn的原子序数远高于Mg原子,这说明沉淀相中偏聚着Nd、G d 和Zn元素,同时还可以看到这些沉淀相是由更微小的环状结构组成,环之间的间距约为1.13nm左右(图5d)。(a)520C/12h520C/16h()520C/20h5ourm50um5Oum530C/12h530C/16h530C/20h5uY50u350umg5
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