Zr 添加对阻燃Mg 合金的组织和力学性能的影响

谢中柱，韩 刚，樊建锋，许并社

（1.太原学院机电与车辆工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，山西 太原 030024；3.太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

镁合金是目前最具有广泛应用前景的轻量化金属结构材料[1]，由于镁活性高，在高温下容易和氧气、水蒸气等发生剧烈反应，熔炼和加工困难。加入Y 和Ca 可生成高熔点、高致密度系数（a＞1）表面氧化膜[2]，隔绝镁合金熔体和氧气，提升镁合金的燃点、有效阻燃。同时，作为低固溶度元素，容易成分过冷而富集于相界以及晶界，加速晶内异质形核，弥散钉扎，显著细化晶粒。但是当元素添加量过高时[3，4]（Y＞8wt%，Ca＞3.5wt%）,容易产生脆性，降低阻燃镁合金的综合力学性能，限制进一步广泛应用。本研究在阻燃镁合金中添加晶粒细化剂Zr[5，6]，探索其对显微组织和力学性能的影响，改善合金的抗拉强度和延伸率。

1 实验材料及方法

本实验以工业纯Mg（99.9wt%），Mg-20wt%Y，Mg-35wt%Ca 和Mg-30wt%Zr 中间合金为原料，采用高频感应炉熔炼Mg-Y-Ca-Zr 阻燃合金，并添加C2Cl6粉末和连续吹入高纯Ar 气体双重精炼后浇铸板材和蛇形棒材，采用原子发射光谱法（ICP-AES）测定合金组份，通过超景深三维数码系统和场发射扫描电子显微镜进行显微组织分析，利用电子万能试验机测试合金的力学性能。

2 实验结果与分析

2.1 显微组织表征和分析

Mg-3.5Y-0.8Ca 阻燃镁合金铸态试样的显微组织如图1a 所示，在稀土元素Y 的作用下，大部分晶粒细化至100um 以下，晶内平整光滑，出现黑色的颗粒状稀土元素偏聚物。添加Zr 元素后的Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 合金组织如图1b 所示，多数晶粒细化至50um 左右，晶内呈半连续的网格状，晶界呈宽化的河流样将晶粒放大观察（图1c），可见晶粒内部均匀分散着直径小于10um 的细晶，部分直径小于5um。晶界处黑色的偏析聚集也分裂溶入基体并形成细晶。

在扫描电镜下观察合金的显微组织如图2 所示。粗晶的边界呈脊状隆起，沿晶界弥散着直径约为100nm～200nm的点状偏聚物（如图2 中c 区域），有零星的2um 左右的白色粗大偏聚物（如图2 中b 区域），晶内凹陷，偏聚物的密度和直径均小于晶界处。多数粗晶界和晶内均匀的裂解成直径约为2um 的细晶，细晶的晶界均呈现宽化沟状（如图2 中c区域）。

由此可见：添加Zr 元素的阻燃镁合金，晶粒由未添加前的100um 显著细化至2um，这不仅有助于增加界面体积分数，使过饱和的Y 和Ca 以及氧化物膜高效覆盖Mg 基体，隔绝氧和水等，有效提升燃点和耐蚀性。同时，几um 甚至亚微米的晶界和晶内偏析物，有效钉扎晶内组织和晶界，显著提升合金的力学性能。

图1 铸态合金的显微组织照片

图2 Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 合金微区的显微组织SEM 图像

2.2 合金的微区成份AES分析

表1 合金的微区成份ICP-AES 分析

合金的微区成份AES 分析结果如表1 所示。细晶的晶界处，Y、Ca 的含量均略高于平均值分别约17.7%、26.3%，而Zr 元素则高出10.3 倍，在晶界处显著富集。在粗晶的晶界处出现的块状粗大偏聚物中，Y 元素高度富集，约为平均值的22.35 倍，Ca 轻微富集，未见Zr 元素。亚微米级的偏聚物中，Zr 元素高度富集，约为平均值的9.57 倍，Ca 元素略偏聚，约为平均值的1.5 倍。

由此可知，晶界偏聚物主要由Mg-Y 化合物[7]和Zr 元素形成，其中过饱和Y 元素在晶界处形成MgY 化合物并长大粗化，可能是由于Y 的熔点较高，熔炼温度下在基体中的溶解度较低导致，这可能影响合金组份的均匀化并降低阻燃和力学性能，需适当提高熔炼温度并增加Y 添加量，对合金铸锭进行后续的固溶处理，这也有助于晶内和晶界处亚微米级的高Zr 偏聚物均匀析出、弥散分布，有效钉扎晶内组织和晶界，阻碍晶粒长大，进而改善阻燃合金的力学性能。

2.3 力学性能检测和分析

在2kN 载荷下匀速、单向拉伸测定Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr铸态合金的拉伸强度和延伸率并取3次实验的平均值。和未添加Zr 元素的阻燃合金相比，拉伸强度由133Mpat 增加到178MPa，显著提高约33.8%，延伸率为6.72%，有所改善。和Mg-Y 铸态合金相比，力学性能相近，可以满足工业广泛应用。

3 结论

（1）添加Zr 元素可将Mg-3.5Y-0.8Ca-0.5Zr 阻燃合金的晶粒由75um 显著细化至约2um。晶界偏聚物均匀细化为亚微米尺度并沿着晶界向晶内弥散分布。

（2）晶界及紧邻晶内区域的偏聚物主要由Mg-Y 化合物和Zr 元素形成，包含少量Ca 元素。

（3）添加Zr 元素可以有效钉扎晶界和晶内组织，显著提升阻燃镁合金的力学性能。