Mater. Sci. Eng., A.：Sn元素對Mg-6Y-2Zn合金LPSO相的形成及力學性能的影響

【引言】

最近，Mg-RE-Zn合金體系由于其獨特的微觀結構和優異的力學性能受到越來越多的關注，通過快速凝固處理和熱擠壓可以獲得高強度的Mg-Y-Zn合金，其在室溫下具有600MPa的屈服強度和5％的延伸率。這些優異的力學性能主要是由于晶粒細化與長周期堆垛有序相（LPSO）結構相結合的原因。接著，在Mg-Y-Zn合金體系中相繼發現了包括6H，10H，14H，18R和24R型的LPSO結構的許多變體，而18R和14H結構是傳統工藝生產的Mg-Y-Zn合金中最常見的結構。
LPSO在鎂合金強化中起著重要作用，因此，LPSO結構的促進和改性對合金的性能至關重要。據研究表明，Mg-RE-Zn合金中的LPSO相的特點是有序堆積結構。一般來說，較低的堆垛層錯能（SFE）有利于LPSO相的形成，合金化被認為是控制鎂合金堆垛層錯和相的有效手段。通過對廣義堆垛層錯能（GSFE）的計算和分析，預測Sn可以很好地降低Mg中的層錯能（SFE），尤其是對基底{0001} <11-20>和金字塔{11- 22} <11-23>滑移系統。這種非基底滑動GSFE的減少，不僅可以提高延展性，而且還可以促進LPSO相的析出。但是，到目前為止，關于Sn元素對Mg-Y-Zn合金顯微組織的影響研究甚少，尤其是關于LPSO結構上Sn改性的細節。在這項工作中，設計了Mg-6Y-2Zn-xSn（x = 0，0.3wt.％）合金以分析理解添加Sn后的Mg-Y-Zn合金的顯微組織的演變，重點研究了Sn元素對Mg-Y-Zn合金中LPSO結構的性能影響。

【成果簡介】

近日，重慶大學陳玉安(通訊作者)在Materials Science and Engineering: A.上發表了題為“Effect of Sn element on the formation of LPSO phase and mechanical properties of Mg-6Y-2Zn alloy”的文章。研究并探討了微量添加Sn對Mg-6Y-2Zn合金的影響，重點研究了鑄態、退火態和擠壓態下的LPSO相和相應的力學性能變化。結果表明，18R LPSO相形成針狀并分布在晶界處。同時，在鑄造狀態下Sn的添加可以顯著影響其長度和密度。退火后，18R的含量增加并且形狀由針狀物轉變為塊狀。另外，在顆粒和18R相之間有細小的14H LPSO薄片沉淀。與退火態無Sn合金相比，含Sn合金中18R相的面積分數從35％增加到58％，14H也有一定程度的提升。在擠壓狀態下進行的拉伸測試顯示含Sn合金相對于其原始合金的機械性能有很大改善，對于相關的機制也進行了詳細的探討。

【圖文導讀】

圖1 鑄態Mg-6Y-2Zn和Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的SEM 與EDS 光譜照片

（a）Mg-6Y-2Zn合金的SEM圖像

（b）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的SEM圖像

（c）灰色對比的EDS譜

（d）針狀相的EDS譜

（e，f）白色顆粒的EDS譜

（g）鎂基質的EDS譜

圖2 鑄態與退火處理后的Mg-6Y-2Zn和Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的XRD圖

（a）鑄態的Mg-6Y-2Zn和Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的XRD圖

（b）退火態的Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的XRD圖

圖3 STEM圖像、SAED圖樣、HRTEM圖像

（a）鑄態Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金中針狀相的STEM圖像和相應的SAED圖樣

（b）與Mg基體相鄰的針狀相的HRTEM圖像。

圖4 擠壓合金在不同截面下的SEM顯微照片

（a）Mg-6Y-2Zn合金從垂直于ED的方向觀察

（b）Mg-6Y-2Zn合金從沿著ED的方向觀察

（c）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金從垂直于ED的方向觀察

（d）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金沿ED方向觀察

（e）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金在高放大倍數下沿橫向方向觀察

（f）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金在高倍放大下沿ED方向觀察

圖5 合金不同狀態下的真應力 - 應變曲線

（a）鑄態合金的拉伸應力-應變曲線

（b）擠壓態合金的拉伸應力-應變曲線

（c）退火態合金的拉伸應力-應變曲線

圖6 擠壓態Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金斷口形貌的SEM圖像

（a）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金在室溫拉伸試驗中擠壓失效后的縱截面的SEM顯微照片

（b）在高放大倍數下的Sn3Y5相的斷裂表面

【小結】

本實驗研究了Mg-6Y-2Zn合金在鑄態、退火和擠壓態三種條件下，添加0.3wt.％Sn對其顯微組織和力學性能的影響。微量Sn添加顯著增加了18R LPSO相的體積分數。在鑄造狀態下，UTS從157MPa增加到193MPa，這主要是由于針狀18R LPSO相的體積分數增加。在退火狀態下，18R LPSO相的含量從35％增加到58％，伴隨著形貌由針狀變為塊狀。在擠壓狀態下，Sn摻雜合金具有優異的機械性能，YS為334 MPa，UTS為401 MPa，延伸率為6.7％。18R LPSO相畸變越厲害，再結晶晶粒越細小、晶粒尺寸均勻性越好。但是，過量的Sn會導致斷口表面凹坑中有過多的空心六角形Sn3Y5相，從而降低合金的延展性。總體而言，實驗表明，通過添加適量的Sn元素能更好地改變Mg-RE-Zn合金中的LPSO相的含量和形態從而達到強化效果，關鍵是找到Sn的最佳含量和熱處理的合適參數。

文獻鏈接：Effect of Sn element on the formation of LPSO phase and mechanical properties of Mg-6Y-2Zn alloy（Mater. Sci. Eng., A,2017,DOI: 10.1016/j.msea.2017.11.049）

本文由材料人編輯部歐儀編輯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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