稀土元素对Mg-6Al合金显微组织及高温拉伸力学性能的影响

摘要

在阅读分析国内外相关技术文献的基础上，本文以Mg-6Al合金为基础，通过Y、Nd、Gd元素的合金化，以获得常温和高温力学性能优良、铸造性能好、性价比高的新型耐热镁合金。采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射分析仪、精密万能电子拉伸实验机等多种分析和测试手段，较为系统地研究了稀土元素Y、Nd、Gd对Mg-6Al合金显微组织及高温拉伸力学性能的影响。 Mg-6Al合金中添加稀土元素Y研究表明：稀土元素Y细化了Mg-6Al合金的组织，使合金中β-Mg17Al12相的形态和分布得到改善，在晶界和晶内出现高熔点Al2Y稀土相，并随着Y含量不断增加，β-Mg17Al12相逐渐减少，当Y的含量至1.2wt％时，合金中β-Mg17Al12相消失。稀土元素Y的加入提高了Mg-6Al合金的室温及高温性能，且Mg-6Al合金中Y含量为1.2wt％时（即合金AY612），合金的室温及高温强度均达到最大值，室温下的抗拉强度为224MPa，高温150℃、175℃、200℃的抗拉强度分别为221MPa、192MPa、162MPa。合金的伸长率随拉伸温度的提高不断增加，同一温度下，Y含量为1.2wt％的合金塑性最好，伸长率最高。 Mg-6Al-1.2Y合金中添加稀土元素Nd研究表明：稀土元素Nd能够明显细化Mg-6Al-1.2Y合金的组织，改变合金中的第二相的分布与形态。在晶界和晶内出现高熔点Al2Y、Al2Nd稀土相，并随着Nd含量的不断增加析出的第二相逐渐增多，且第二相的形态和分布也随之改变，当合金中Nd含量为0.3wt％时，较大的第二相分布于合金的晶界上，这种粗大的第二相不能够有效阻止晶界的滑移，反而容易在其附近引起应力集中，从而使AYN6103的力学性能低于AY612。当Nd的含量为0.9wt％时（即合金AYN6109），合金中第二相呈细小均匀分布，Nd含量再增加，第二相随之偏聚并长大，从而引起力学性能的再次降低。Nd含量为0.9wt％时，合金的室温及高温强度达到最大值，室温下的抗拉强度为253MPa，高温150℃、175℃、200℃的抗拉强度分别为253MPa、223MPa、173MPa，基本满足在175℃温度下的使用要求。合金的伸长率随拉伸温度的提高不断增加，同一温度下，Nd含量为0.9wt％的合金塑性最好，伸长率最高。 Mg-6Al-1.2Y-0.9Nd合金中添加稀土元素Gd研究表明：Gd的加入使Mg-6Al-1.2Y-0.9Nd合金（即合金AYN6109）中出现了Al2Y、Al2Nd、Al2Gd三种高熔点析出相，且相的形态和分布与Gd的含量有密切关联：当合金中Gd的含量为1.2wt％、2.4wt％时，Al2Gd呈板状，沿晶界不连续分布；当Gd含量为3.6wt％、4.2wt％时，Al2Gd相形态转变为球状，弥散分布于晶内和晶界上。Gd含量为3.6wt％时（即合金AYNG61136），合金的室温及高温强度达到最大值，室温下的抗拉强度为257MPa，高温150℃、175℃、200℃的抗拉强度分别为256MPa、226MPa、184MPa。合金的伸长率随拉伸温度的提高不断增加，同一温度下，Gd含量为3.6wt％的合金塑性最好，伸长率最高。 Mg-6Al-(x)Y合金中，Al在Mg中的固溶度随着Y含量的不断增加而增大，而Y自身在Mg中的固溶度减小；Mg-6Al-1.2Y-(x)Nd合金中，随Nd含量不断增加，Al在Mg中的固溶度不断增大，而Nd、Y在Mg中的固溶度减小；Mg-6Al-1.2Y-0.9Nd-(x)Gd合金中，随着Gd含量的不断增加，Al，Y、Nd、Gd原子在Mg中的固溶度都随之增加，在Gd含量为3.6wt％时，各原子在Mg中的固溶度达到最大，固溶强化效果最好。