热处理对Mg-Zn-Zr-Y合金组织及性能的影响_郑浩然.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0647热处理对 Mg-Zn-Zr-Y 合金组织及性能的影响郑浩然,张志璇,谷亚楠,陈其嘉(滨州学院机电工程学院,山东 滨州 256600)摘 要:为解决因残余应力、组织不均匀性、成分偏析所造成的铸态 Mg-3Zn-0.8Zr-1Y(mass%)合金性能不佳的问题,对其进行了固溶和时效处理,研究了热处理工艺对其显微组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明:Mg-3Zn-0.8Zr-1Y 合金的最优热处理工艺是 480 均匀化退火 12 h 后 520 固溶处理 12 h,最后在 170 时效 24 h。均匀化退火处理缓解了铸态合金中的偏析现象,固溶处理使铸态合金中的 W(Mg3Y2Zn3)相基本融入-Mg 基体中形成过饱和固溶体,时效后组织中析出细小且弥散分布的纳米级短杆状 Mg2Zn3和颗粒状 Mg4Zn7第二相。与铸态合金相比,经最优工艺处理后合金的硬度、极限抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提升到 83.4 HV、204 MPa、139 MPa 和 12.5%,自腐蚀电位提高到-1.793 V(vs.SCE)、腐蚀电流密度降低到 59.64 A/cm2,腐蚀速率降低到 1.36 mm/y,表明这种多步热处理工艺可以使 Mg-3Zn-0.8Zr-1Y 合金的强度、塑性和耐蚀性显著提高。关键词:Mg-Zn-Zr-Y 合金;热处理;微观组织;力学性能;腐蚀性能中图分类号:TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0057-08收稿日期:2022-12-25 修订日期:2023-03-01基金项目:滨州学院科研基金项目(2021Y38)作者简介:郑浩然(1990),女,讲师,博士,主要研究方向为镁合金及其复合材料,E-mail:zhenghaoran916 。引用格式:郑浩然,张志璇,谷亚楠,等.热处理对 Mg-Zn-Zr-Y 合金组织及性能的影响J.材料热处理学报,2023,44(7):57-64.ZHENG Hao-ran,ZHANG Zhi-xuan,GU Ya-nan,et al.Effect of heat treatment on microstructure and properties of Mg-Zn-Zr-Y alloyJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):57-64.Effect of heat treatment on microstructure and properties of Mg-Zn-Zr-Y alloy ZHENG Hao-ran,ZHANG Zhi-xuan,GU Ya-nan,CHEN Qi-jia(College of Mechatronics Engineering,Binzhou University,Binzhou 256600,China)Abstract:In order to solve the problem of poor performance of as-cast Mg-3Zn-0.8Zr-1Y(mass%)alloy caused by residual stress,inhomogeneity of microstructure and composition segregation,the solution and aging treatment were carried out for the alloy,and the effect of heat treatment process on its microstructure,mechanical properties and corrosion resistance was studied.The results show that the optimum heat treatment process of the Mg-3Zn-0.8Zr-1Y alloy is homogenization annealing at 480 for 12 h,then solution treatment at 520 for 12 h,and finally aging at 170 for 24 h.The homogenization annealing treatment alleviates the segregation phenomenon in the as-cast alloy,the solution treatment causes the W(Mg3Y2Zn3)phase in the as-cast alloy basically to dissolve into the-Mg matrix to form a supersaturated solid solution,and the fine and dispersed nano-scale short rod-shaped Mg2Zn3 and granular Mg4Zn7 second phases are precipitated in the microstructure after aging.Compared with the as-cast alloy,the hardness,ultimate tensile strength,yield strength and elongation of the alloy after the optimal process treatment are increased to 83.4 HV,204 MPa,139 MPa and 12.5%respectively,the self-corrosion potential is increased to-1.793 V(vs.SCE),and the corrosion current density is reduced to 59.64 A/cm2,the corrosion rate decreases to 1.36 mm/y,indicating that this multi-step heat treatment process can significantly improve the strength,plasticity and corrosion resistance of the Mg-3Zn-0.8Zr-1Y alloy.Keywords:Mg-Zn-Zr-Y alloy;heat treatment;microstructure;mechanical property;corrosion property 镁合金具有比强度高、减震性和电磁屏蔽能力强、生物相容性好、与人体接近的弹性模量及易切削加工等一系列优点,被广泛应用于医学、航空航天、电脑、汽车零部件、船舶、军事国防等领域1-3。目前,镁合金作为骨组织工程材料、骨修复和骨内固定材料、口腔修复及牙种植材料以及心血管支架工程材料的应用越来越多4-6。但其强度偏低、塑性不足、腐蚀速率过快的问题仍需改善,以期使镁合金在医用材料领域的开发及应用具有更为广阔的前景7-9。热处理是改善或调整镁合金力学性能、耐蚀性能 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷和加工性能的重要手段。近年来,相关学者在这方面做了大量的研究10-15。姜婷等10对 ZK60 镁合金进行不同工艺的时效处理,结果表明 120 12 h 的热处理工艺下达到了峰时效的效果,使合金硬度提高了43.44%,伸长率提高了 38.71%。王耀贵等11的研究结果表明,对 Mg-5.5Zn-0.5Zr(mass%)合金进行固溶时效和直接时效都能够改善其显微组织,并提高合金的室温和高温力学性能。Yan 等12研究了固溶和时效处理对铸态 Mg-2Zn-1Y-0.6Zr(mass%)合金组织和力学性能的影响。结果表明,525 4 h 的固溶处理可以明显提高抗拉强度,随后的 250 24 h时效导致合金硬度达到最大值 58.2 HV。焦迪等13研究了 Mg-Gd-Y 合金不同热处理态的组织及耐腐蚀性能,发现固溶处理使共晶组织和第二相粒子大部分溶入晶粒内,组织趋于均匀,固溶态和时效态镁合金耐腐蚀性能较铸态均有所提高。Wang 等14研究发现,固溶热处理后 Mg-6.7Zn-1.3Y-0.6Zr(mass%)合金的耐蚀性得到提高,这是由于消除了锻造过程中形成的 MgZn2相的不均匀分布。然而,热处理对铸态 Mg-Zn-Zr-Y 合金综合性能的影响还需进一步研究。本文旨在通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X 射线衍射(XRD)、维氏硬度计及电化学工作站等测试方法和设备研究均匀化退火、固溶及时效热处理工艺对 Mg-Zn-Zr-Y 合金组织结构、力学性能及腐蚀行为的影响。1 实验材料与方法 以工业高纯 Mg(99.99%)、高纯 Zn(99.99%)、Mg-Zr 中间合金(30 mass%Zr)、Mg-Y 中间合金(30 mass%Y)为原料,采用氩气气氛保护,在真空条件下的 VMIR-2 型真空感应炉中熔炼 Mg-3Zn-0.8Zr-1Y 合金。熔炼温度为 720,待合金溶体搅拌均匀后静置10 min,于690 左右浇注入 60 mm 石墨模具中,温度继续降至 200 左右后开炉取出镁锭并空冷。通过 KBF17Q 型箱式气氛炉对合金依次进行 480 12 h 均匀化退火、固溶(水冷)及时效(空冷)热处理。固溶温度分别设为 500、520 和 530,固溶时间分别设为 8、12 和 16 h。时效温度分别 设 为 150 和170,时效时间分别设为 12、24 和 36 h。将铸态及热处理后的镁合金试样分别经过 150、800、1500 和 3000 目砂纸打磨后进行抛光和化学腐蚀,侵蚀剂由 2.75 g 苦味酸、2.5 mL 乙酸、45 mL 无水乙醇 和 5 mL 蒸 馏 水 的 混 合 液 组 成,然 后 用OLYMPUS-BX51M 型光学显微镜和 JSM-6700F 型扫描电镜观察显微组织,用 Oxford 能谱仪进行微区成分分析。通过 IPP 7.0 软件采用截线法对镁合金的平均晶粒尺寸进行统计。采用 D/max/2500 PC 型 X射线衍射仪测量试样的物相,Cu 靶 K辐射(=0.15418 nm),测试速率 8/min,并用 Jade 6.0 软件分析衍射图谱和相。采用 HMV-2T 型维氏硬度计测量材料硬度,测量前需要将样品用砂纸打磨、抛光,将样品制成上下基本平行的镜面,并在测试面侵蚀出微观组织,加载载荷为 9.8 N,保持时间为 20 s,取每个样品中 6 个不同部位硬度的平均值。将铸态及热处理后的镁合金机加工成直径8 mm、长 3 mm 的圆片,用 3000 目砂纸打磨试样表面至光亮后抛光,通过 Zahner Zennium 电化学工作站在模拟体液(SBF)中于 37 进行材料的电化学性能测试。SBF 的组成如表 1 所示,用标准三电极体系测量样品的极化曲线,其中试样作为工作电极,石墨电极作为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,扫描速率为 1 mV/s。将工作电极浸入 SBF 中 30 min 以获得稳定的开路电位(OCP),测试了 3 个平行样品,以确保实验结果的可重复性。并通过测试得到的腐蚀电流密度(icorr)计算材料的腐蚀速率 Pi(mm/y)15-18:Pi=22.85 icorr(1)表 1 SBF 溶液的化学成分(g/L)Table 1 Chemical composit