Mg-10Al₂Nd中间合金制备及晶粒细化效果研究

王雷 冯义成 赵思聪 郭二军 陈彦宏 王丽萍

摘 要：采用光学显微镜（OM），扫描电子显微镜（SEM），X射线衍射分析（XRD）等试验方法研究了Mg-10Al2Nd中间合金对Mg-3Nd合金的晶粒细化行为。研究结果表明：Mg-10Al2Nd中间合金由α-Mg基体和Al2Nd颗粒组成，添加Mg-10Al2Nd中间合金可以细化Mg-3Nd合金，并且随着中间合金含量增加细化效果增强，添加20%的Mg-10Al2Nd中间合金可使Mg-3Nd合金晶粒尺寸从1242±135 μm细化至173±19 μm。晶粒细化的机理是溶质效应与Al2Nd的异质形核协同作用。

关键词：Mg-3Nd合金;晶粒细化;显微组织;异质形核

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.002

中图分类号： TG146.2

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）05-0007-06

Abstract：In this study， the grain refinement behavior of Mg-10Al2Nd master alloy to Mg-3Nd alloy was studied by optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and X-ray diffraction （XRD）. The experimental results showed that Mg-10Al2Nd master alloy is composed of α-Mg and particle Al2Nd phases. The addition of Mg-10Al2Nd master alloy can refine Mg-3Nd alloy， and the refining effect is enhanced as the content of Mg-10Al2Nd increases. By adding 20% Mg-10Al2Nd， the grain size of Mg-3Nd alloy was refined from 1242±135 μm to 173±19 μm. The mechanism of grain refinement is the synergistic effect of solute effect and heterogeneous nucleation of Al2Nd.

Keywords：Mg-3Nd alloy; grain refinement; microstructure; heterogeneous nucleation

0 引 言

镁合金是最轻的金属结构材料之一，在航空航天、汽车交通、电子通讯等领域具有重要应用[1]。相比于传统的AZ系（Mg-Al-Zn系）、AM系（Mg-Al-Mn系）商用镁合金，Mg-RE（稀土元素）系合金具有高的室温强度和高温抗蠕变性能[2，3]，但大量的RE添加导致合金成本急剧增加，难以大规模工业应用，相比之下RE含量较低的Mg-Nd系合金，由于相对较低的成本而备受青睐，如ZM6（Mg-3Nd-0.2Zn-Zr）合金已获得工业应用[4]。

众所周知，细化晶粒可显著提高和改善镁合金力学性能。工业生产中Mg-RE合金通过添加Mg-Zr中间合金进行晶粒细化[5]，但Zr细化存在成本高和利用低的缺点。为了开发新的Mg-RE合金晶粒细化方法，广大科技工作者展开了大量研究[6-8]，其中Qiu等[9]研究发现添加Al能够细化Mg-Y合金，并揭示了Al细化的机理是Al与Y反应原位生产的Al2Y颗粒可以作为镁的形核颗粒。随后的大量研究证实[10-14]，添加Al能够细化大部分Mg-RE（Gd、Y、Sm、Nd、Ce）合金，其细化效果可与Zr细化相媲美。虽然添加Al能够细化Mg-RE合金，但细化效果受RE种类和含量影响，使得Al细化不具有普遍应用性。加入细化剂能够直接将形核质点引入到熔体当中，其细化效果不受合金成分影响[15]，因此能否开发一种含有Al2RE的中间合金细化剂，以外加的方式引入形核颗粒，对于这一细化方式的推广具有重要意义，但遗憾的是相关的研究并未得到重视。为此本文设计制备了一种含有Al2Nd颗粒的Mg-10Al2Nd中间合金细化剂，研究了细化剂对Mg-3Nd合金的细化效果，研究结果有望为開发镁合金晶粒细化剂提供参考。

1 试验材料与试验方法

制备Mg-10Al2Nd中间合金（本文所述合金成分均为质量分数，%）的原材料包括：纯Mg锭（≥99.9%），Mg-30Nd中间合金，纯Al锭（≥99.9%）。熔炼在井式电阻炉中进行，首先在720℃下融化纯Mg锭，随后添加Mg-30Nd中间合金和纯Al，熔体经搅拌后在750℃保温30 min，浇注到型腔尺寸为Φ60 mm×90 mm的金属模具中得到中间合金锭。中间合金锭在450℃保温10 h后进行热挤压，挤压温度420℃，挤压比9，得到Mg-10Al2Nd中间合金，使用ICP-6300型光谱仪测定中间合金化学成分，其实际化学成分为Mg-7.11%Nd-6.17%Al。

将Mg-10Al2Nd中间合金用于Mg-3Nd合金的细化处理，Mg-10Al2Nd中间合金加入量分别为：0%（NA30）、2.5%（NA3025）、5%（NA305）、10%（NA310）、15%（NA315）和20%（NA320） （Al2Nd的添加量分别为：0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%和2%）。Mg-3Nd合金由纯Mg锭和Mg-30Nd中间合金熔炼而成，在750℃时加入Mg-10Al2Nd中间合金保温10 min后搅拌溶体2 min，之后在750℃保温10 min，浇注到型腔尺寸为Φ20 mm×90 mm的金属模具中，模具预热温度为200℃。

金相试样经抛磨和抛光后，使用腐蚀剂（配比：10 g苦味酸+120 mL蒸馏水+15 mL乙酸+120 mL乙醇）侵蚀，使用XD30M型光学显微镜在偏光模式下观察显微组织，通过线性截距法测量平均晶粒尺寸。使用Quanta 200型扫描电子显微镜进行第二相微观形貌分析，并利用扫描电镜附带的能谱仪（EDS）进行微区成分分析，采用计点法测量Al2Nd颗粒的数量密度。使用X′Pert PRO型X射线衍射仪进行物相分析，Cu靶，扫描速度20/min，扫描角度10°～90°。

2 试验结果与分析

2.1 Mg-10Al2Nd中间合金组织

图1为Mg-10Al2Nd中间合金的XRD谱，由图1可以看出，中间合金由α-Mg和Al2Nd两相组成。图2为Mg-10Al2Nd中间合金SEM照片，由图2（a）可以看出，中间合金基体中分布着大量的颗粒相，颗粒相的数量密度为3.285×103 pcs/mm2，EDS分析表明这些颗粒相中同时含有Al和Nd两种元素（如图2（b）所示），结合XRD结果，可以确定这些颗粒相为Al2Nd相。图3为Mg-10Al2Nd中间合金中Al2Nd颗粒的尺寸分布，可以看出Al2Nd颗粒尺寸分布在1～26 μm之间，其中大部分颗粒尺寸在3～12 μm之间（约87%），Al2Nd颗粒平均尺寸为8.23 μm。

经测试Mg-10Al2Nd中间合金中Nd和Al的实际含量分别为7.11%和6.20%，按照所有的Nd完全生成Al2Nd计算，7.11%的Nd可以消耗2.67%的Al，中间合金中Al2Nd的质量分数为9.78%，同时剩余3.50%的Al，因此Mg-10Al2Nd中间合金中Al2Nd的质量分数约为10%，同时该合金中固溶有3.5%的Al元素。

2.2 Mg-10Al2Nd中间合金对Mg-3Nd合金组织影响

图4为不同Mg-10Al2Nd中间合金加入量的Mg-3Nd合金的OM照片，图5为合金平均晶粒尺寸随Mg-10Al2Nd中间合金加入量变化的曲线图。

3 讨 论

基于以上研究可知，添加Mg-10Al2Nd中间合金可以显著细化Mg-3Nd合金，中间合金添加量达到20%的NA320合金细化效果最佳，下面以NA320合金为例，讨论添加晶粒细化的原因。如之前所述Mg-10Al2Nd中间合金中，除了含有10%的Al2Nd颗粒以外还含有3.5%的Al元素，在Mg-3Nd合金中添加20%的Mg-10Al2Nd中间合金，相当于同时添加了2%的Al2Nd颗粒和0.7%的Al元素。首先，Al2Nd相与α-Mg之间的界面能为0.058 J/m2[9]，小于2%，处于完全润湿状态，Al2Nd可以充当α-Mg的异质形核质点[13，16]，添加Mg-Al2Nd中间合金后组织中存在Al2Nd颗粒（如图7（f）所示），这说明中间合金中Al2Nd颗粒没有溶解，这些未溶解的Al2Nd颗粒可以作为形核质点细化晶粒。其次，添加溶质元素Al能够增加成分过冷的程度[17-18]，限制晶粒长大，细化组织，因此添加Al也能细化Mg-3Nd合金组织。本文制备了一种Mg-3Nd-0.7Al合金，用于对比研究Al2Nd和Al元素的细化作用，图9为Mg-3Nd-0.7Al合金的OM照片，其晶粒尺寸为901±85 μm，略小于NA30合金（1242±135 μm），远远大于NA320合金（173±19 μm），因此，NA320合金中Al2Nd颗粒的异质形核作用是合金得到细化的主要原因。

据文[16]报道，在Mg-3Nd合金中添加3%的Al元素后，原位生成的Al2Nd形核颗粒能够将合金晶粒尺寸由1 247 μm减小到48 μm，细化效率为96%，而本试验中外加2%的Al2Nd颗粒可将Mg-3Nd合金晶粒尺寸由1 242 μm减小到173 μm，细化效率为86%。可见外加Al2Nd颗粒的细化效率低于原位生成的。存在异质形核质点的合金中，形核质点数量密度是决定细化效率的关键因素，NA320合金中可能充当形核质点的Al2Nd颗粒的数量密度为153 pcs/mm2（位于晶粒内部的），而在Mg-3Nd-3Al合金[16]中原位生成的Al2Nd颗粒的数量密度为371 pcs/mm2，外加的形核颗粒数量密度远低于原位生成的，这是细化效率较低的主要原因。

图9 Mg-3Nd-0.7Al合金光學显微照片

Fig.9 Optical microstructure of Mg-3Nd-0.7Al alloy

按照所有外加Al2Nd颗粒都可充当形核质点计算，NA320合金中Al2Nd颗粒的数量密度能够达到1.057×103 pcs/mm2，而实际Al2Nd颗粒的数量密度为153 pcs/mm2，仅为所加总数的14.5%，也就是说，在NA320合金中引入的Al2Nd颗粒中只有14.5%充当了形核质点，其余85.5%均是无效的。导致这一现象的原因是多方面的，首先，Al2Nd自身的密度较大（5.14 g/cm3）[9]，远大于Mg的密度（1.74 g/cm3），因此熔炼过程中易发生沉降;其次，中间合金中较大尺寸的Al2Nd颗粒和存在偏聚的Al2Nd颗粒由于自身重量较大，更容易在熔炼过程中发生沉降;再次，熔炼过程中的保温和搅拌工艺也会对熔体中Al2Nd颗粒的分布产生影响，影响细化效率，因此，如何获得Al2Nd颗粒尺寸适中、均匀分布的中间合金和优化熔炼工艺，以减少形核颗粒的沉降，是提高外加Al2Nd形核颗粒细化效率的关键。

4 结 论

1）Mg-10Al2Nd中间合金主要由α-Mg和颗粒状Al2Nd相组成，颗粒状Al2Nd相数量密度为3.285×103 pcs/mm2，尺寸分布在1～26 μm之间，平均颗粒尺寸为8.23 μm;

2）添加Mg-10Al2Nd中间合金可以细化Mg-3Nd合金，随着中间合金含量增加Mg-3Nd合金晶粒尺寸减小，中间合金质量分数为20%时细化效果最佳，平均晶粒尺寸为173±19 μm;

3）晶粒细化的原因是Al2Nd颗粒异质形核与溶质效应协同作用。其中Al2Nd颗粒异质形核是晶粒细化的主要因素。

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（编辑：温泽宇）