特种铸造及有色合金2024年第44卷第4期
【引用格式】
毕广利，许浩彬，姜静，等. 复合加工Mg-Y-Zn-Ni合金的显微组织和性能［J］. 特种铸造及有色合金，2024，44（4）：433-440.
BI G L，XU H B，JIANG J，et al. Microstructures and properties of Mg-Y-Zn-Ni alloy by combined machining［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（4）：433-440.
导读
研究了复合加工（挤压+轧制）Mg-2Y-0.5Zn-0.5Ni（摩尔分数，%，MYZN）合金的显微组织和力学性能。结果表明，挤压MYZN合金的组织主要由α-Mg、片状和块状的18R-LPSO相、细条纹状的14H-LPSO相以及Mg2Y和Mg24Y5颗粒相组成。在350 ℃下轧制后，合金发生了不均匀的塑性变形，形成了大量含有高位错密度的未再结晶区，再结晶晶粒和颗粒相得到显著细化，晶粒尺寸略微增加，LPSO相增多且弥散分布，同时形成了较强的基面织构。拉伸测试结果表明，挤压+轧制合金表现出理想的室温力学性能，其屈服强度（σ0.2）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）分别为372 MPa、409 MPa和 8.4%，与挤压合金相比，σ0.2和σb分别提升了10.7%和4.1%。力学性能的提高主要归结为大量小角度晶界的晶界强化、LPSO相的析出和扭折强化以及织构强化。
【研究背景】
近年来，随着我国“双碳”计划的提出，节能减排迫在眉睫，其中，车辆轻量化是降低碳排放、提高燃油及电能效率的有效途径。镁合金具有密度小、比强度高、良好的电磁屏蔽和阻尼减震性能等特点，被认为是一种优异的车体减重材料。然而，因镁合金固有的密排六方晶体结构，导致其室温强度低、塑性差，限制了广泛应用。因此，开发新型的室温高强高塑镁合金具有十分重要的工程意义。
合金化和热加工可通过晶粒细化、第二相强化和织构强化协同提高镁合金的室温力学性能。据发布，稀土（RE）和过渡元素（TM）的添加可形成一种长周期堆垛有序结构（LPSO）相，该相具有较高的热稳定性、硬度，并与镁基体共格，可有效阻碍位错运动并且提高合金的综合力学性能。KAWAMURA Y等通过快速凝固和粉末冶金制备的 Mg97Y2Zn1合金在室温下显示了高的屈服强度（约610 MPa），这主要归因为18R-LPSO相的析出和细小的晶粒。CHEN B等在Mg-Y-Zn合金中观察到了14H和18R两种类型的LPSO相，并且发现不同Y和Zn的共同添加改变了LPSO相的尺寸、形貌和分布，同时提高了合金的强度和塑性。SOMEKAWA H等研究了轧制Mg-5Y-2.5Zn合金的组织演变和力学性能，发现轧制后合金中LPSO相发生了变形和扭折，扭折形成了大量的扭折边界，有效地阻碍了位错运动，合金的压缩强度大幅提高，由260 MPa增加到500 MPa。CHEN Z B等通过在450 ℃下对挤压Mg-Gd-Y-Zr合金进行多道次轧制，发现在5道次轧制后合金的屈服强度和抗拉强度分别达到249 MPa和326 MPa，合金性能得到提高。
【研究亮点】
目前的研究仅限于单一热加工（挤压或轧制）对合金显微组织和力学性能的影响，然而挤压和轧制的复合加工对该体系合金的显微组织和力学性能的研究鲜有发布。兰州理工大学毕广利等联合兰州兰石检测技术有限公司、山西银光华盛镁业股份有限公司等在2024年第44卷第4期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“复合加工Mg-Y-Zn-Ni合金的显微组织和性能”，作者通过在Mg-Y合金中添加Zn、Ni，采用挤压+轧制复合加工制备Mg-2Y-0.5Zn-0.5Ni（摩尔分数，%）合金，对比研究该合金的显微组织和力学性能，探讨复合加工对该合金显微组织演变及增强机理的影响，旨在为室温高强高塑变形镁合金板材的设计和开发提供参考。
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【研究方法】
Mg-2Y-0.5Zn-0.5Ni（摩尔分数，%，MYZN合金）合金制备原料采用质量分数为99.90%的纯Mg、99.95%的Zn以及Mg-20Ni和Mg-20Y中间合金，在750 ℃以及熔盐覆盖剂（NaCl和KCl）和混合气体（SF6和CO2体积比为99∶1）保护下的石墨坩埚中熔化，搅拌后保温30 min静置，随后浇注到直径为ϕ90 mm的水冷金属型中获得合金锭。将合金锭在箱式电阻炉（SX2-4-10）中进行400 ℃×12 h的均匀化处理，然后进行热挤压，挤压速率、挤压温度和挤压比分别为0.5 m/s，366 ℃和16∶1，水冷。将挤压合金在400 ℃下保温40 min，沿着挤压方向进行单向轧制，轧制速度和轧制温度分别为40 r/min和350 ℃，每次轧制间隔保温5 min，在轧制约20%压下量后获得挤压+轧制Mg-2Y-0.5Zn-0.5Ni合金（MYZN-350）。
采用激光共聚焦显微镜（OM， LSM800）、X射线衍射仪（XRD， Rigaku D/max 2500 PC）、扫描电镜（SEM， Quanta Feg 450）和透射电镜（TEM， FEI Talos F200X）对不同方式成形合金的显微组织、相组成结构进行观察和表征，并利用截线法和Image pro plus测量合金的平均晶粒尺寸和相体积分数。OM和SEM的合金试样分别用500、1000、1500和2000号砂纸进行粗磨和细磨，抛光后在体积分数为4%的硝酸酒精溶液中蚀刻40 s。TEM试样制备是通过机械抛光和离子束减薄至厚度约5 μm，并通过打孔机加工成直径为ϕ3 μm的薄箔。利用数字显微软件（Digtal Micrograph）对高分辨率下的TEM（HR-TEM）图像进行分析。采用电子背散射衍射（EBSD， HRFESEM， TESCANMAIA3）对不同方式成形合金的极图、反极图进行测试，扫描步长分别为0.2 μm和0.3 μm，并利用Channel 5软件对合金的EBSD数据进行分析。
利用万能拉伸试验机（Instron 1211）对合金的室温拉伸性能进行测试，应变速率为1×10-3 s-1。挤压合金和轧制＋挤压合金的拉伸试样是通过电火花线切割机（DK7732）分别沿着挤压方向（ED）和轧制方向（RD）加工而成，拉伸试样的尺寸为43 mm×8 mm×1.5 mm，测试结果取至少3个平行拉伸试样的平均值。
【图文解析】
复合加工Mg-Y-Zn-Ni合金的显微组织和性能。该合金由镁基体和多种第二相组成，包括细条带状的18R-LPSO相、块状的18R-LPSO相、晶内细条纹状的14H-LPSO相、高密度的残余位错和位错堆积。这些第二相的存在提高了合金的屈服强度和力学性能，主要强化机制包括片层状的18R-LPSO相的载荷转移、细小弥散颗粒相的弥散强化、晶内细条纹状14H-LPSO相和SFs的Orowan强化、LPSO相的扭折带边界强化以及织构强化。晶粒细化也是该合金的主要强化机制。实验结果显示，MYZN-350合金显示出较高的综合力学性能，其屈服强度和抗拉强度均有所提高。同时，该合金还表现出良好的室温塑性和韧性。
图1 不同合金的OM图和SEM图
图2 MYZN合金和MYZN-350合金的XRD图谱
图3 MYZN-350合金的TEM图像、SAED图像和高分辨图像
图4 不同合金的极图、反极图及对应的晶粒尺寸分布
图5 不同合金的显微形貌及取向角分布
图6 不同合金的反极图及其晶粒类型分布
图7 不同合金的施密特因子分布直方图
图8 不同合金的局部取向差角度图和取向角分布图
图9 不同合金的室温工程应力-应变曲线
图10 不同合金的拉伸试样侧面观察及断口形貌
图11 MYZN合金和MYZN-350合金各强化机制贡献对比
【主要结论】
（1）挤压MYZN合金的显微组织主要包括α-Mg、片状和块状的18R-LPSO相、细条纹状的14H-LPSO相以及Mg2Y和Mg24Y5白色颗粒相。350 ℃热轧后合金的显微组织发生显著变化，大部分晶粒被拉长并在其周围发生了少量的动态再结晶，动态再结晶的平均晶粒尺寸为2.30 μm，LPSO相被碎化体积分数增加且弥散分布。同时，轧制后合金的织构强度从挤压态的10.13 mrd增大到84.99 mrd，基面织构大大增强。
（2）拉伸测试结果表明，在350 ℃下轧制MYZN合金表现出优异的室温拉伸性能，其抗拉强度和屈服强度分别为405 MPa和372 MPa，相比挤压MYZN合金其抗拉强度和屈服强度分别增加了4.1%和10.7%。挤压+轧制合金的这种高的拉伸性能主要归结为大量小角晶界的晶界强化、LPSO相的析出和扭折强化及织构强化。
