Mater. Sci. Eng., A.：Sn元素对Mg-6Y-2Zn合金LPSO相的形成及力学性能的影响

【引言】

最近，Mg-RE-Zn合金体系由于其独特的微观结构和优异的力学性能受到越来越多的关注，通过快速凝固处理和热挤压可以获得高强度的Mg-Y-Zn合金，其在室温下具有600MPa的屈服强度和5％的延伸率。这些优异的力学性能主要是由于晶粒细化与长周期堆垛有序相（LPSO）结构相结合的原因。接着，在Mg-Y-Zn合金体系中相继发现了包括6H，10H，14H，18R和24R型的LPSO结构的许多变体，而18R和14H结构是传统工艺生产的Mg-Y-Zn合金中最常见的结构。
LPSO在镁合金强化中起着重要作用，因此，LPSO结构的促进和改性对合金的性能至关重要。据研究表明，Mg-RE-Zn合金中的LPSO相的特点是有序堆积结构。一般来说，较低的堆垛层错能（SFE）有利于LPSO相的形成，合金化被认为是控制镁合金堆垛层错和相的有效手段。通过对广义堆垛层错能（GSFE）的计算和分析，预测Sn可以很好地降低Mg中的层错能（SFE），尤其是对基底{0001} <11-20>和金字塔{11- 22} <11-23>滑移系统。这种非基底滑动GSFE的减少，不仅可以提高延展性，而且还可以促进LPSO相的析出。但是，到目前为止，关于Sn元素对Mg-Y-Zn合金显微组织的影响研究甚少，尤其是关于LPSO结构上Sn改性的细节。在这项工作中，设计了Mg-6Y-2Zn-xSn（x = 0，0.3wt.％）合金以分析理解添加Sn后的Mg-Y-Zn合金的显微组织的演变，重点研究了Sn元素对Mg-Y-Zn合金中LPSO结构的性能影响。

【成果简介】

近日，重庆大学陈玉安(通讯作者)在Materials Science and Engineering: A.上发表了题为“Effect of Sn element on the formation of LPSO phase and mechanical properties of Mg-6Y-2Zn alloy”的文章。研究并探讨了微量添加Sn对Mg-6Y-2Zn合金的影响，重点研究了铸态、退火态和挤压态下的LPSO相和相应的力学性能变化。结果表明，18R LPSO相形成针状并分布在晶界处。同时，在铸造状态下Sn的添加可以显著影响其长度和密度。退火后，18R的含量增加并且形状由针状物转变为块状。另外，在颗粒和18R相之间有细小的14H LPSO薄片沉淀。与退火态无Sn合金相比，含Sn合金中18R相的面积分数从35％增加到58％，14H也有一定程度的提升。在挤压状态下进行的拉伸测试显示含Sn合金相对于其原始合金的机械性能有很大改善，对于相关的机制也进行了详细的探讨。

【图文导读】

图1 铸态Mg-6Y-2Zn和Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的SEM 与EDS 光谱照片

（a）Mg-6Y-2Zn合金的SEM图像

（b）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的SEM图像

（c）灰色对比的EDS谱

（d）针状相的EDS谱

（e，f）白色颗粒的EDS谱

（g）镁基质的EDS谱

图2 铸态与退火处理后的Mg-6Y-2Zn和Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的XRD图

（a）铸态的Mg-6Y-2Zn和Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的XRD图

（b）退火态的Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金的XRD图

图3 STEM图像、SAED图样、HRTEM图像

（a）铸态Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金中针状相的STEM图像和相应的SAED图样

（b）与Mg基体相邻的针状相的HRTEM图像。

图4 挤压合金在不同截面下的SEM显微照片

（a）Mg-6Y-2Zn合金从垂直于ED的方向观察

（b）Mg-6Y-2Zn合金从沿着ED的方向观察

（c）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金从垂直于ED的方向观察

（d）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金沿ED方向观察

（e）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金在高放大倍数下沿横向方向观察

（f）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金在高倍放大下沿ED方向观察

图5 合金不同状态下的真应力 - 应变曲线

（a）铸态合金的拉伸应力-应变曲线

（b）挤压态合金的拉伸应力-应变曲线

（c）退火态合金的拉伸应力-应变曲线

图6 挤压态Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金断口形貌的SEM图像

（a）Mg-6Y-2Zn-0.3Sn合金在室温拉伸试验中挤压失效后的纵截面的SEM显微照片

（b）在高放大倍数下的Sn3Y5相的断裂表面

【小结】

本实验研究了Mg-6Y-2Zn合金在铸态、退火和挤压态三种条件下，添加0.3wt.％Sn对其显微组织和力学性能的影响。微量Sn添加显著增加了18R LPSO相的体积分数。在铸造状态下，UTS从157MPa增加到193MPa，这主要是由于针状18R LPSO相的体积分数增加。在退火状态下，18R LPSO相的含量从35％增加到58％，伴随着形貌由针状变为块状。在挤压状态下，Sn掺杂合金具有优异的机械性能，YS为334 MPa，UTS为401 MPa，延伸率为6.7％。18R LPSO相畸变越厉害，再结晶晶粒越细小、晶粒尺寸均匀性越好。但是，过量的Sn会导致断口表面凹坑中有过多的空心六角形Sn3Y5相，从而降低合金的延展性。总体而言，实验表明，通过添加适量的Sn元素能更好地改变Mg-RE-Zn合金中的LPSO相的含量和形态从而达到强化效果，关键是找到Sn的最佳含量和热处理的合适参数。

文献链接：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）

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