哈工程《JMST》：復(fù)合稀土微合金化制備低各向異性雙相鎂鋰合金

搞不銹鋼的

2021年1月21日 16:43

論文信息

第一作者：鐘峰

通訊作者：巫瑞智教授

通訊單位：哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院

論文DOI：10.1016/j.jmst.2019.04.045

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如何改善變形鎂合金強(qiáng)織構(gòu)導(dǎo)致的各向異性是這一新型超輕質(zhì)材料在我國(guó)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，而合金化和變形加工是達(dá)成這一目的的常用技術(shù)手段。 哈爾濱工程大學(xué)巫瑞智教授課題組提出 復(fù)合添加微量稀土元素（Y/Ce），使其與Al元素形成熱穩(wěn)定第二相從而細(xì)化組織。隨后通過交叉軋制使晶粒取向隨軋制方向的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)且第二相分布更均勻。 同時(shí)在軋制變形過程中，碎化的第二相會(huì)誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的形核，細(xì)化晶粒，從而改善合金板材的各向異性。這項(xiàng)研究同時(shí)利用合金化和變形加工技術(shù)制備出低各向異性的高強(qiáng)鎂鋰合金。相關(guān)研究以Effect of Y and Ce on the microstructure, mechanical properties and anisotropy of as-rolled Mg-8Li-1Al alloy為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology ( Volume 39, 2020, Page 124-134 )。

背景介紹

由于鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，在變形過程中鎂合金極易產(chǎn)生嚴(yán)重的基面織構(gòu)，導(dǎo)致其變形型材的力學(xué)性能具有比較嚴(yán)重的各向異性，最終影響其使用性能。Li的加入能改變鎂合金晶胞的軸比及其晶體結(jié)構(gòu)，而稀土元素能與Mg以及其他合金元素形成金屬間化合物，并通過第二相與基體的相互作用來提高合金性能，同時(shí)弱化合金基面織構(gòu)。

研究出發(fā)點(diǎn)

釔、鈰，作為鎂合金常用的合金化元素，單一添加時(shí)能有效強(qiáng)化鎂鋰合金的性能和弱化基面織構(gòu)。交叉軋制制備出的板材組織均勻性更高，力學(xué)性能提升更加明顯且各向異性有所減弱?；谶@些特點(diǎn)，本研究以通過合金化和變形加工調(diào)控各向異性作為研究出發(fā)點(diǎn)，以期獲得各向異性可控和優(yōu)良成型性的超輕鎂鋰合金材料。

圖文解析

1 復(fù)合添加稀土元素對(duì)于合金微觀組織的影響

隨著合金化元素含量及種類的改變，板材的相組成亦在變化（如圖1所示）。結(jié)合XRD和SEM結(jié)果可知，Mg-8Li-Al合金主要具有α-Mg和β-Li雙相組織；而分別單獨(dú)添加Y、Ce時(shí)，基體中會(huì)析出Al ₂Y或Al ₂Ce相；當(dāng)兩種稀土元素復(fù)合添加時(shí)，第二相的主要成分則為Al ₂(Y, Ce)相，隨著第二相的形成，晶界的遷移被阻礙，基體相得以細(xì)化。當(dāng)Y/Ce復(fù)合添加的含量大于1.5%時(shí)，第二相開始富集，其釘扎作用變低。經(jīng)過交叉軋制后，第二相碎化且分布更加均勻，增強(qiáng)了第二相強(qiáng)化效果。

圖1 鑄態(tài)及軋制態(tài)LA81-xY-yCe合金SEM圖：(a) LA81, (b) LA81-0.6Y, (c) LA81-0.6Ce, (d) LA81-0.6Ce-0.3Y, (e) LA81-0.6Ce-0.6Y, (f) LA81-0.6Ce-0.9Y, (g) LA81-0.6Ce-1.2Y。

2 復(fù)合添加稀土元素對(duì)于合金力學(xué)性能的影響

通過室溫拉伸試驗(yàn)，我們分別測(cè)得了該系列合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率（如圖2所示）。隨著合金化元素種類和添加量的增加，合金板材的強(qiáng)度均先升高后降低，延伸率的變化趨勢(shì)則大致與之相反。軋制態(tài)LA81-0.6Ce-0.6Y的綜合性能最好，抗拉強(qiáng)度為278.7 Mpa、延伸率為15.0%；與LA81合金相比，極限抗拉強(qiáng)度提高了17.5%，延伸率降低了3.5%。其中強(qiáng)度的提升主要?dú)w功于第二相強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。

圖2 軋制態(tài)LA81-xY-yCe合金的室溫拉伸性能。(a)抗拉強(qiáng)度，(b)屈服強(qiáng)度，(c)伸長(zhǎng)率。

3 復(fù)合添加稀土元素對(duì)于合金各向異性的影響

鎂合金中織構(gòu)和各向異性往往是息息相關(guān)的。通過研究織構(gòu)的演變，我們可以判斷各向異性的變化趨勢(shì)（如圖3所示）。稀土元素的復(fù)合添加弱化了α-Mg相中基面織構(gòu)，促進(jìn)了β-Li相中(110) 織構(gòu)的增強(qiáng)。此外，d r/d t能在一定程度上反映c軸的偏轉(zhuǎn)程度。d r/d t值越接近1，合金晶粒 c軸沿RD方向和TD方向的偏轉(zhuǎn)程度越接近，各向異性越小。因此，LA81-0.6Y-0.6Ce的d r/d t值為1.05，接近于臨界值，這表明其各向異性弱化效果明顯。

圖3 軋制態(tài)LA81-xY-yCe合金的極圖。α-Mg相(0002)極圖 (a) LA81合金，(b) LA81-0.6Y-0.6Ce合金 β-Li相(110)極圖 (c) LA81合金，(d) LA81-0.6Y-0.6Ce合金。

軋制板材各向異性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果（如表1所示）驗(yàn)證了上述結(jié)論。一般而言，各向異性指數(shù) r _avg、△ r越大，板平面內(nèi)各向異性愈嚴(yán)重。當(dāng)稀土元素釔和鈰的添加量均為0.6 wt%時(shí)， r _avg和△ r的值都是最小的，分別為1.07和0.03。綜上所述，LA81-0.6Ce-0.6Y合金板材表現(xiàn)出近似各向同性。

表1軋制板材各向異性指數(shù)的計(jì)算

總結(jié)與展望

本研究提出復(fù)合添加了微量稀土元素（Y/Ce），使其與Al元素形成熱穩(wěn)定第二相從而細(xì)化組織。隨后通過交叉軋制使晶粒取向隨軋制方向的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)且第二相分布更均勻。同時(shí)在軋制變形過程中，碎化的第二相會(huì)誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的形核，細(xì)化晶粒，從而改善合金板材的各向異性，最終利用合金化和變形加工技術(shù)制備出低各向異性的高強(qiáng)鎂鋰合金。

解決鎂鋰合金型材力學(xué)性能各向異性的控制問題并提升合金的塑性成型能力，有利于材料的進(jìn)一步加工成型，將為鎂鋰合金這一新型超輕質(zhì)材料在我國(guó)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模的推廣應(yīng)用提供可靠的技術(shù)保障。

作者簡(jiǎn)介

通訊作者簡(jiǎn)介：巫瑞智，哈爾濱工程大學(xué)材化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，任超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，主要從事輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料的研究。主持多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、裝發(fā)領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)防基礎(chǔ)科研、中俄政府間合作項(xiàng)目等科研項(xiàng)目。獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，獲得黑龍江省青年科技獎(jiǎng)稱號(hào)。兼任中國(guó)鎂合金學(xué)會(huì)理事、中國(guó)鎂合金青年委員會(huì)榮譽(yù)主任、《Acta Metallurgica Sinica》和《Journal of Magnesium Alloys》編委。

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