Nd和Gd对Mg-3Al合金的细晶行为及影响机理_刘权.pdf

第33卷第3期Volume 33 Number 32023 年 3 月March 2023中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous MetalsNd和Gd对Mg-3Al合金的细晶行为及影响机理刘权1，肖祁陵2，罗群1，李谦1,3，周国治1(1.上海大学 材料科学与工程学院 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444；2.上海大学 材料基因组工程研究院，上海 200444；3.重庆大学 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044)摘 要：以Mg-3Al合金为研究对象，基于边边匹配(E2EM)模型和相图计算，分析Al-X金属间化合物与-Mg的晶面和原子错配度及其熔点，筛选Mg-Al-X合金中潜在的异质形核物相，探究筛选的Al2Nd和Al2Gd对Mg-3Al合金晶粒尺寸的影响，分析Nd和Gd对Mg-3Al合金物相组成和显微组织的影响，揭示Nd和Gd对Mg-3Al合金的细晶机理。结果表明：添加适量Nd和Gd元素可以有效减小Mg-3Al合金晶粒尺寸，提升合金屈服强度。当分别添加3%Nd、3%Gd(质量分数)后，Mg-3Al合金晶粒尺寸由(1459)m分别减小至(815)m、(764)m，分别降低了44%、48%，合金屈服强度由65 MPa提升至7679 MPa，伸长率可达12.7%16.5%。其细晶机理为Al2RE(Nd,Gd)颗粒作为-Mg晶粒的异质形核质点细化晶粒。关键词：Mg-3Al合金；稀土元素；晶粒细化；细晶机理文章编号：1004-0609(2023)-03-0653-12 中图分类号：TG146.22 文献标志码：A引文格式：刘权,肖祁陵,罗群,等.Nd和Gd对Mg-3Al合金的细晶行为及影响机理J.中国有色金属学报,2023,33(3):653664.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43132LIU Quan,XIAO Qi-ling,LUO Qun,et al.Grain refinement behavior and influence mechanism of Nd and Gd on Mg-3Al alloyJ.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2023,33(3):653 664.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43132 镁合金以其密度小、比强度高、成本低等优势广泛应用于航空航天材料、高速列车、节能汽车等领域12。然而，镁合金存在强度低、室温塑性差及耐蚀性差等瓶颈问题亟待解决3。在金属强化方式中，细晶强化既能提高合金的屈服强度，又可增加合金的塑性。目前，镁合金晶粒细化方法主要包括快速凝固法、固态成型法、溶质元素法和异质颗粒法等45。其中，快速凝固法和固态成型法是最为有效的晶粒细化方法，例如，采用快速凝固技术制备AZ91镁合金，可将晶粒细化至1 m，使合金具有超塑性(300 时伸长率达465%)6。WE43镁合金进行等通道角挤压(ECAP)后，合金晶粒尺寸可细化至0.71.0 m，其极限抗压强度和屈服强度分 别 可 达 300 MPa 和 260 MPa，伸 长 率 可 达13.2%7。尽管这两种方法对镁合金晶粒细化效果明显，但成本昂贵、设备要求高等缺点限制其广泛应用。而溶质元素法和异质颗粒法因成本低、操作简单等优点，可大规模应用于铸造镁合金的晶粒细DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43132基金项目：国家自然科学基金资助项目(51871143，51734002)；上海市科技启明星计划资助项目(21QA1403200)；上海市科学技术委员会资助项目(19010500400)收稿日期：2022-04-14；修订日期：2022-06-10通信作者：罗群，研究员，博士；电话：021-66136577；E-mail：中国有色金属学报2023 年 3 月化处理810。Mg-Al系合金是应用广泛的金属结构材料，但Mg-Al系铸造合金存在屈服强度低等性能短板，添加晶粒细化剂是实现Mg-Al系合金细晶强化的重要手段。在Mg-Al系合金中，添加碳化物(Al4C3)、硼化物(AlB2、NbB2)、氧化物(MgAl2O4)等异质颗粒可促进初生-Mg 的形核，达到晶粒细化的目的1112。例如，ZHANG等13将Mg-40Al-10C中间合金添加至Mg-3Al合金中，所生成的富Al-C颗粒促进-Mg异质形核，使Mg-3Al合金晶粒尺寸由370 m减小至117 m。张烁14将Al-3B中间合金分别添加至AM50和AZ91合金中，发现添加0.15%B(质量分数)可以有效细化AM50和AZ91合金的晶粒尺寸。然而，这两种形核颗粒存在难以引入Mg-Al熔体、添加量难以调控且细化效果一般等问题。近年来，一些研究人员1519发现Al2RE颗粒可有效细化Mg-RE合金晶粒尺寸：通过将不同Al含量添加至 Mg-10Y、Mg-10Gd、Mg-6Ce、Mg-6Sm 及 Mg-5Nd合金中，发现随着Al含量增加，晶粒尺寸先增大后逐渐减小。他们将细晶机理归因于Al优先与稀土元素(如Y、Gd、Sm等)发生反应形成Al2RE颗粒，实现Al2RE颗粒对-Mg的异质形核作用。然而，Al2RE颗粒是否可以细化Mg-Al合金晶粒尚不明确，姜中涛20的研究表明，Al2Y对Mg-Y合金具有优异的晶粒细化效果，而Al2Y对Mg-Al合金晶粒尺寸的影响不大，Al2Y颗粒的异质形核作用并不显著，这可能与Al2Y颗粒在Mg-Al熔体中的物相稳定性有关。因此，Al2RE颗粒在Mg-Al熔体中的形成条件、物相稳定性及其异质形核作用还需进一步研究。本文以Mg-3Al合金为研究对象，针对Nd、Gd元素的添加对Al2RE颗粒的形成、异质形核作用及其细晶机理尚不明确等问题，基于Mg-Al-X系金属间化合物与-Mg之间的晶面错配度、原子错配度及其熔点筛选潜在的异质形核质点，将Nd和Gd分别添加至 Mg-3Al 合金中，探究 Nd 和 Gd 含量对Mg-3Al 合金晶粒尺寸的影响，分析 Nd 和 Gd 对Mg-3Al合金物相组成和组织形貌的影响，阐释Nd和Gd对Mg-3Al合金的晶粒细化机理，旨在找到Nd和Gd元素的最优添加量，实现Mg-3Al合金的晶粒细化作用。1实验1.1合金制备合金制备的原材料为99.99%纯镁、99.99%纯铝、Mg-30Nd中间合金和Mg-30Gd中间合金。Mg-3Al-RE合金成分为：Al含量为3.0%(质量分数，下同)，Nd和Gd含量均为1.0%、3.0%、5.0%，余量为Mg，其中，Nd和Gd以Mg-30RE(Nd,Gd)中间合金形式加入。其熔炼过程如下：首先，将井式电阻炉的温度设定为600，并将打磨好的原材料预热至300，除去水汽；待电阻炉的温度升到600 后，将纯镁放入炉内的刚玉坩埚中，同时向炉内通入SF6和CO2混合保护气体(VCO2VSF6=99 1)；当炉内纯镁完全熔化且熔体温度稳定在700 后，加入Mg-30RE中间合金；待Mg-30RE中间合金完全熔化后，加入纯 Al，持续搅拌熔体 1 min，升温至720740，并保温 15 min，使合金元素充分反应。当熔体温度稳定在 740 时，将 1%2%的JDMJ 精炼剂均匀加入镁合金熔体中，持续 25 min；当精炼剂充分反应后，熔体表面悬浮一层熔融态的盐和氧化物夹杂。熔体经过精炼后，静置2540 min，随炉冷却至熔体温度为720 后撇去表面浮渣，分别浇铸至模具温度为300 的黄铜楔形模具和铸铁圆柱形模具中，如图1所示，获得Mg-3Al-RE合金楔形和圆形铸锭。1.2组织形貌观察首先，通过砂纸打磨、抛光和腐蚀三个步骤制备镁合金金相，其中，金相浸蚀液为2%(体积分数)硝酸酒精溶液，浸蚀时间为2 s。然后，使用上海无陌光学的金相显微镜(WMJ9688)观察偏光金相，并采用截线法测定合金平均晶粒尺寸。最后，采用日本日立的扫描电镜(FlexSEM1000)观察合金的显微组织，加速电压为15 kV，并采用德国布鲁克的Esprit Compact能谱仪测定合金各个物相的摩尔分数，推断合金的物相组成。1.3物相结构表征对于合金的XRD测试，制备尺寸小于75 m的合金粉末，采用德国布鲁克D2 phaser X射线衍654第 33 卷第 3 期刘权，等：Nd 和 Gd 对 Mg-3Al 合金的细晶行为及影响机理射仪测试合金物相组成，扫描范围为1080，扫描速度为2()/min。对于EBSD测试，采用离子研磨仪(IM4000)进行离子抛光，去除样品表面应力层，加速电压为6 kV，抛光时间为4 h；采用聚焦离子束电子显微镜(FEI helios G4)获取Mg-3Al-3RE(Nd,Gd)合金中Al2RE和-Mg相的菊池衍射花样，其加速电压为 20 kV，EBSD 图像采集步长为 0.2 m；并采用Channel 5软件重构Al2RE相与-Mg基体之间的取向成像图和取向差分布图。1.4力学性能测试拉伸实验样品依据国家标准 GB/T 168652013，加工成圆柱形标准试样，其标距为45 mm，标距端直径为10 mm，如图2所示。标距截面的晶粒数约为 10000 个，符合拉伸测定要求。采用Instron 5982万能试验机测定合金的应力应变曲线，拉伸速率为1 mm/min。为减少实验误差，每个样品准备三个平行样。2结果与讨论2.1Al-X二元异质形核颗粒的筛选ZHANG 等21提出一种计算晶格错配度的模型边边匹配模型(E2EM模型)，可用于判断颗粒是否为有效的异质形核核心。E2EM模型认为，当化合物与基体的最密排原子方向(或近密排原子方向)的原子错配度fr小于10%，定义匹配的晶向为匹配方向；且密排面(或近密排面)的晶面错配度fd小于6%时，定义匹配的晶面为匹配面。当有一组匹配方向原子间距错配度fr10%且这组匹配方向的匹配面之间的面间距错配度fd6%时，则认为这种化合物可能作为基体的异质形核质点。其中，fd图1铸造模具尺寸Fig.1Dimensions of casting molds(Unit:mm):(a)Cylindrical cast iron mold;(b)Wedge-shaped brass mold图2标准拉伸样品尺寸示意图Fig.2Schematic diagram of standard tensile sample size(Unit:mm)655中国有色金属学报2023 年 3 月和fr计算方法见式(1)和(2)。fd=|dM-dPdM|100%(1)fr=|rM-rPrM|100%(2)式中：dM、dP分别为基体和第二相的晶面间距；rM、rP分别为基体和第二相的原子间距。与Mg-Zn体系不同，在Mg-Al体系中，Al元素往往会与其他溶质元素发生反应，形成Al-X金属间化合物；这些化合物具有高熔点且呈颗粒状分布，在合金熔体中可能作为有效的异质形核质点。为了筛选Al-X金属间化合物潜在的异质形核质点，先通过相图确定Al-X体系中存在的金属间化合物种类，获得16种富Al的金属间化合物，如图3横坐标所示。然后运用式(1)计算Al-X金属间化合物与-Mg之间的晶面错配度fd，以fd6%为临界值，找到符合条件的晶面匹配对；运用式(2)计算Al-X金属间化合物与-Mg之间的原子错配度fr，再取fr10%作为边界条件，得到Al-X金属间化合物与-Mg之间的最小晶面错配度和原子错配度。同时，异质形核颗粒在熔炼过程中的化学稳定性也是产生异质形核的必要条件，即形核颗粒熔点必须大于-Mg基体熔点(650)，且在(72020)的熔炼温度下不与基体发生反应。因此，筛选条件包括：Al-X金属间化合物的熔点Tm720；fd6%；fr10%。结 果 表 明，AlB2、Al2Y、Al2Nd、Al2Sm、Al2Gd等化合物与-Mg的晶面错配度和原子错配度均较低。AlB2被报道可作为Mg-Al系合金