镁锂合金热处理温度对α/β 相转变及晶粒尺寸的影响

2022-10-24供稿梁艳崔瑞康陈志君甄慧强冀晓渊钱凌云

金属世界 2022年5期

供稿|梁艳，崔瑞康，陈志君，甄慧强，冀晓渊，钱凌云

内容导读

LA103Z 镁锂合金由于其优异的性能，目前已成为具有发展前景的航空航天轻量化材料。为了探究热处理温度对双相LA103Z 镁锂合金性能的影响，本文对锻造态LA103Z 镁锂合金进行了不同温度的热处理实验，然后对原始合金与不同温度热处理实验的试样进行显微组织宏观比较和定量分析。研究结果表明：在热处理过程中，α 相发生了面积长大和形状球化，而β 相晶粒尺寸逐渐均匀化，并有一定程度的长大，同时α 相与β 相发生相转变。其中在150～200 °C 时，β 相晶粒逐渐变为等轴状，α 相面积变大并且相占比增加，合金均质化并强度增加；而在250 °C 时，β 相晶粒尺寸增长趋势较快，出现粗大的趋势，而α 相由于脱锂现象占比增大，面积有减小并形状有球化的趋势，导致合金塑性下降。因此，热处理温度在200 °C 时，LA103Z 镁锂合金的综合性能最好。

镁锂合金作为最轻的结构金属材料受到人们的广泛关注[1]。镁锂合金密度介于1.35～1.65 g/cm3之间，并有比强度及比刚度高、低各向异性及优良的抗高能粒子穿透能力等优势，是航天航空、军工、核工业、汽车、3C 产业、医疗器械等领域最理想并有着巨大发展潜力的结构材料之一[1]。根据锂含量的不同，镁锂合金晶体结构也会发生相应的转变[2]。根据镁锂二元合金相图，当Li 质量分数低于5.7%时为α 单相；高于11.2%时，则全部转变为β 相；而处于5.7%～11.2% 时，合金为α+β 双相基体[3-4]。双相镁锂合金中硬质相α-Mg 与软质相β-Li 的协调作用，使其具有优异的冷成形性[5]，兼顾了合金的强度和塑性，是目前研究学者的关注点。

为了进一步提高材料的力学性能，研究人员采取添加合金元素[6]、轧制[7]、等通道转角挤压(ECAP)[8]、热处理等手段进行。其中，热处理工艺一般不改变工件的形状和整体的化学成分或改变工件表面的化学成分而且具有高效、低成本等特点，使金属工件达到改善力学性能、物理性能和化学性能的目的。常见的热处理工艺有均匀化退火、淬火和固溶时效以及混合热处理等。其中均匀化退火可以提高合金组织成分的均匀性，但退火温度对镁锂合金的影响至关重要，温度低均匀化时间需要延长并且效果不好，而温度过高凝固时产生的非平衡凝聚引起组织过烧，合金氧化严重，并且晶粒长大影响性能，因此选择合适的热处理温度非常重要[2]。对此，研究人员对双相镁锂合金的退火热处理进行了大量研究。吴洪超等[9]对双相Mg-8Li-4Al-3Zn-La进行400 °C 退火热处理后，拉长相变为等轴状，强化相MgAlLi2 转变为AlLi 相，导致强度、延伸率略微下降。Guo 等[10]对双相Mg-7.8Li-0.8Zn 进行150～350 °C 退火热处理，出现了α/β 相转变，并且α 相的细化和球化有助于提高合金延展性。Tang 等[11]对双相轧制态LAZ832-0.2Y 镁锂合金进行200～300 °C退火热处理，在250～300 °C 时可以看到明显的晶粒长大，而且极限抗拉强度从263.3 下降到246 MPa，延伸率从9.3% 提高到13.2%。Pahlavani 等[12]对双相LZ71 镁锂合金薄板进行(0、250 和300 °C)退火处理，并通过响应面优化算法得出在350 °C 时镁锂合金薄板在各个方向上具有最佳的静态性能。因此探究合适的退火温度对于双相镁锂合金的使用具有重要意义。

本文对双相LA103Z 镁锂合金进行不同温度退火热处理，通过定量分析不同温度对合金中α 相大小及形状、β 相晶粒尺寸和α/β 相占比的变化，定性分析不同温度退火热处理对LA103Z 镁锂合金的影响，为后续的加工处理提供了有价值的参考。

实验材料和方法

实验采用的材料为西安四方超轻材料有限公司生产的LA103Z 镁锂合金锻料棒材，化学成分如表1所示。热处理温度T分别选择150、200 和250 °C，并保温60 min 后，随炉冷却后取出样品。对试样进行抛光至表面呈镜面，使用邻硝基苯酚1.5 g+乙酸0.5 ml+无水乙醇10 ml+蒸馏水1 ml 侵蚀并观察显微组织，并使用Image-Pro Plus 进行统计。

表1 LA103Z 的化学成分表(质量分数) %

结果分析与讨论

平均晶粒尺寸

LA103Z 镁锂合金棒材的微观分析如图1 所示。从图1(a) 可以看出该合金中深色晶体结构占大多数，白色部分占比较小；局部放大图图1(b)显示白色部分为富镁的α 相，深色的部分为富锂的β 相，且β 相中的晶粒呈等轴状，但晶粒尺寸分布不均。根据图1(c)统计图可知，镁锂合金材料的β 相晶粒尺寸范围为4～15 μm，其中有30%左右的晶粒尺寸在8～9 μm，晶粒尺寸分布跨度大。

不同温度热处理的微观组织如图2 所示。根据图2(a)和2(b)显示，150 °C 热处理后，平均晶粒尺寸(Average grain size, AGS)增大了1.41 μm，大部分晶粒尺寸在8～12 μm，分布开始集中。当200 °C 热处理时，由图2(c)和2(d)看出平均晶粒尺寸变化较小(0.99 μm)而晶粒尺寸集中度更高。但250 °C 热处理时，约有20% 的晶粒尺寸分布在13～18 μm，β 相晶粒开始粗化，图2(e) 和2(f)所示。不同温度热处理的晶粒尺寸变化如图3 所示，可以看出平均晶粒尺寸随温度的升高有增大的趋势，但晶粒得到均匀化。而在250 °C 时，β 相晶粒尺寸有显著增加的趋势，这与热作用释放加工时储存的变形量有关[13]。Tang[11]等也在对双相LA832-0.2Y镁锂合金退火热处理中发现在250～300 °C 时晶粒尺寸出现了粗大现象并发现存在晶粒异常生长，说明这可能是由于一定数量的具有特殊取向的晶粒优先生长，然后逐渐吞噬相邻细晶粒。根据Hall-Petch效应，合金晶粒尺寸越大，合金屈服强度越低，故热处理温度选择200 °C 时，LA103Z 镁锂合金的综合强度好。

α 相变化

图2(a)、2(c) 和2(e) 显示α 相在微观组织图中呈现长条状。针对α 相在不同温度的热处理后的变化，本文采用α 相的平均面积和离心率e(式(1))来分别定量分析α 相的面积和形状变化。

式中，a为α 相的长轴，b为α 相的短轴。

α 相面积变化统计结果如图4(a) 所示，在经过不同温度热处理后，α 相平均面积发生了不同程度长大。其中在200 °C 时，α 相平均面积变化程度最大，由223.3 μm2增长到470.2 μm2，在150 和250 °C 时也增加了一半以上的面积。因为热效应的影响，合金发生再结晶，α 相发生了融合和长大。随着热处理温度升高，α 相会发生相应的长大。但在250 °C 时，α 相平均面积出现小于其他温度的情况(图4(a))，同样在图2(e) 中看到许多长约50 μm 的α 相。这是因为随着温度升高，α 相边缘会出现缺口状，会导致较长的α 相发生“熔断”，导致α 相面积减少。中南大学刘强等[14]在对Mg-8Li-3Al-1Y 进行300 和360 °C 高温退火热处理时，出现了明显的熔断现象，在较粗的α 相边缘有“竹节状”组织，这与本文推导温度升高会导致α 相发生熔断的结论是一致的。

α 相形状变化统计如图4(b) 所示，α 相在150 和200 °C 的离心率变大，表明合金α 相在温度不超过200 °C 时，因为热效应而发生长大，但并未或者极少发生球化效应，这也导致α 相平均面积在热处理后面积增加相对应。而在温度为250 °C 时发现离心率e有下降的趋势，这也与α 相“熔断”现象有关。所以如果温度继续升高，α 相球化现象会更加明显。刘斌等[15]在200 和250 °C 热处理Mg-9Li-Zn后α 相有增加的趋势，而且在保温一定时间后长条状α 相会有逐渐球化的趋势。

α/β 相转变

根据镁锂合金的二元平衡相图可以看出，随着温度升高，镁锂合金中的镁元素在β 相中的溶解度降低，α 相不断从β 相基体中析出。El-Salam 等[16]研究发现Li 在245 °C 时开始从基体向表面进行扩散，当温度达到450 °C 时，Li 会在基体表面烧毁。而且因为Li 的晶界融化和晶界偏析问题，一些镁锂合金的均质化退火热处理不能使用较高的退火温度[17]。而使用较低的热处理温度会影响其他合金元素扩散，降低均质化质量并导致均质化时间过长。因此，本文通过不同温度热处理过程中α/β 相转变情况来分析温度对相转变的影响。图5 统计不同温度下的α 相占比分析相转变情况，可以看出在热处理后α 相占比有所增长，且在250 °C 时占比达到最大。这是由于温度升高出现α 相从β 相基体中析出和再结晶现象，α 相占比有所上升，而在250 °C时，由于温度继续升高有更多的再结晶和脱锂现象促使α/β 相转变，导致α 相占比增多。Chiang 等[18]和Leu 等[19]对Mg-11Li-X 合金高温处理工艺的研究，发现α 相和第二相粒子会从β 相基体中析出，导致α 相增多。Peng 等[20]在进行均匀化退火处理Mg-8Li-3Al-0.4Y 合金时发现在400 °C 保温4 h后，脱锂导致α 相析出的现象使α/β 相转变更加剧烈，降低了合金的塑性，影响了合金的整体性能。而LA103Z 镁锂合金热处理温度在250 °C 以上时，会发生脱锂现象导致双向镁锂合金的性能发生下降，降低材料塑性；热处理温度在200 °C 时，α 相平均面积增多，而且占比增多，但“脱锂”现象不明显，因而此时LA103Z 镁锂合金的综合性能好。