王志峰，趙維民，崔 妍，范生磊

（河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

稀土元素 Ce、Dy、Nd 對(duì)Mg-Zn-Y基準(zhǔn)晶合金顯微組織的影響

王志峰，趙維民，崔 妍，范生磊

（河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

本文在鑄鐵模具冷卻條件下制備了 Mg－Zn－Y－RE（RE=Ce，Dy，Nd）準(zhǔn)晶合金，并對(duì)不同稀土元素對(duì)Mg－Zn－Y基準(zhǔn)晶合金顯微組織的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：花瓣?duì)畹臏?zhǔn)晶和層片狀的共晶是合金凝固相的主要組成物；EDS分析表明在三種稀土中，Dy更易形成四元準(zhǔn)晶，而Nd不易形成四元準(zhǔn)晶。進(jìn)一步的研究表明：四元稀土準(zhǔn)晶的形態(tài)受球形臨界半徑的影響，Ce，Dy，Nd三種稀土元素形成球形四元準(zhǔn)晶的添加量分別為1.0、0.2、0.5；此外，本文冷卻條件下形成四元Mg－Zn－Y－RE準(zhǔn)晶的臨界半徑約為5.5～6.0μm。

準(zhǔn)晶合晶；鎂合金；稀土；顯微組織

自從首個(gè)準(zhǔn)晶樣品在快速凝固的鋁錳合金中被制備出來[1]，數(shù)以千計(jì)的各國科研工作者便投身于此領(lǐng)域的科學(xué)研究。二十面體相因其具有特殊的晶格結(jié)構(gòu)而擁有獨(dú)特的、同時(shí)極具吸引力的機(jī)械和物理性能，如高強(qiáng)、高熱導(dǎo)、低摩擦系數(shù)等[2]。雖然天生的脆硬性使他們并不能直接被用作結(jié)構(gòu)材料而使用，但研究發(fā)現(xiàn)它們非常適合用作韌性基體的強(qiáng)化相[2]。1993年，羅治平博士首次在Mg－Zn－Y三元合金中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的二十面體準(zhǔn)晶[3]，這使得Mg－Zn－Y系合金成為了能夠制備高強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的備選合金[4]，該系合金有可能被開發(fā)成具有相當(dāng)受力能力的材料而用于結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用。

過去的研究中，科研工作者們已探明不同的組元比例對(duì)Mg－Zn－Y合金凝固相種類以及顯微組織結(jié)構(gòu)的影響[5]。多元的球形準(zhǔn)晶在普通鑄造條件下被成功制備出來[6]。然而稀土元素用作準(zhǔn)晶第四組元及其對(duì)準(zhǔn)晶形成能力的影響還鮮為報(bào)道。在本文中，三種不同的稀土元素Ce、Dy和Nd被用于合成多元準(zhǔn)晶。本文將對(duì)三種稀土元素對(duì)多元準(zhǔn)晶的形成能力進(jìn)行初步研究，也將為四元球形富稀土二十面準(zhǔn)晶的合成和鎂基高強(qiáng)準(zhǔn)晶合金的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

實(shí)驗(yàn)使用99.95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的工業(yè)純鎂，99.95%的電解鋅錠，99.99%的純稀土，以及Mg－29.12%Ce、Mg－29.05%Y、Mg－29.35%Nd 和 Mg－29.03%Dy中間合金來熔配實(shí)驗(yàn)合金，合金成分列于表1中。熔煉過程在石墨坩堝中，于帶保護(hù)氣的SG2－5－10A型坩堝式電阻爐中進(jìn)行。合金熔煉過程中通以CO2/0.5vol.%SF6的保護(hù)氣，防止鎂液燃燒。合金熔化后，在800℃攪拌2min，并在770℃靜置2min，隨后被澆注進(jìn)鑄鐵模具中。合金反復(fù)熔煉3次，以確保其成分均勻。合金顯微組織在帶能譜分析（EDS）的掃描電鏡（SEM，Philips XL30，the Netherlands）下進(jìn)行觀察和分析。

表1 實(shí)驗(yàn)合金的成分

2 結(jié)果與討論

圖1所示為實(shí)驗(yàn)合金的顯微組織。合金凝固組織主要由花瓣?duì)顪?zhǔn)晶相和層片狀共晶相組成，并存在少量黑色粒狀α－Mg相，而灰色Mg7Zn3相僅在Mg－Zn－Y－Dy合金中存在。Mg－Zn－Y－Nd合金中，當(dāng) Nd含量在0.2%到0.8%時(shí)，層片狀的共晶相占據(jù)了合金絕大多數(shù)體積，并使準(zhǔn)晶相數(shù)量較小。而在Mg－Zn－Y－Ce和Mg－Zn－Y－Dy合金中，準(zhǔn)晶相的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高。此外，在三種Mg71.5Zn26Y1.5RE1.0合金中，準(zhǔn)晶花瓣的尺寸都較大，并且形態(tài)粗化、花瓣形態(tài)不規(guī)整。

圖2所示為實(shí)驗(yàn)合金的線掃描分析。從檢測(cè)結(jié)果可知各元素的分布規(guī)律：鎂元素在準(zhǔn)晶相中的含量小于其在α-Mg和共晶中的含量，且Mg的含量在準(zhǔn)晶相中最低，在α-Mg中最高；鋅元素的分布趨勢(shì)在準(zhǔn)晶相和共晶相中基本一致；Y和RE元素在準(zhǔn)晶相中的含量要高于其在周圍其它相中的含量；然而Mg72.0Zn26Y1.5Nd0.5合金中Nd元素的含量在不同相中變化不明顯，說明其形成準(zhǔn)晶相的能力不高。

在實(shí)驗(yàn)中，我們期望得到的是具有圓整花瓣?duì)罨蚯蛐蔚臏?zhǔn)晶，尤其是得到全部的球形準(zhǔn)晶最為理想。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三種稀土元素形成Mg-Zn-Y-RE球形準(zhǔn)晶的能力不一樣，且形成球形準(zhǔn)晶時(shí)需要的RE含量也有很大分別。表2所示為對(duì)圖1中不同球形準(zhǔn)晶進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描的分析結(jié)果，球形準(zhǔn)晶中Ce和Dy的原子百分比要明顯高于元素Nd。需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)Dy的添加量?jī)H為0.2%時(shí)，較高體積分?jǐn)?shù)的球形準(zhǔn)晶即被合成出來。從另一個(gè)方面說，Dy在形成球形準(zhǔn)晶方面的能力是三種稀土中最強(qiáng)的，也是所需添加量最低的。

表 2 EDS點(diǎn)掃描分析結(jié)果

據(jù)研究報(bào)道稱[7]，準(zhǔn)晶形態(tài)在花瓣?duì)詈颓蛐螤铋g變化受球形臨界半徑的影響，當(dāng)實(shí)際半徑小于這個(gè)球形臨界半徑時(shí)，準(zhǔn)晶將保持球形形態(tài)，否則將長大為花瓣?duì)?。這個(gè)球形臨界半徑的大小受熔體過冷度和表面能的影響，并與過冷度成反比、而與表面能成正比關(guān)系。在恰好達(dá)到球形臨界半徑的情況下，如向熔體內(nèi)加入微量第四組元，將提高準(zhǔn)晶相的形核率，增大表面能，從而使理論球形臨界半徑增大，有利于球形準(zhǔn)晶的形成。但如果過量第四組元的加入將使其富集在固/液界面前沿,并形成成分過冷,使得理論球形臨界半徑降低，不利于球形準(zhǔn)晶的形成，因此本實(shí)驗(yàn)在RE添加量較大，達(dá)到1%時(shí)，準(zhǔn)晶形態(tài)為花瓣?duì)?，且粗化明顯。由圖1檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步分析知，本文冷卻條件下形成四元Mg－Zn－Y－RE 準(zhǔn)晶的球形臨界半徑約為 5.5～6.0μm。

3 結(jié)論

（1）花瓣?duì)顪?zhǔn)晶相和層片狀共晶相構(gòu)成了Mg－Zn－Y－RE（RE=Ce，Dy，Nd）準(zhǔn)晶合金凝固組織的主體。不同稀土元素Ce、Dy和Nd作為第四組元合成多元準(zhǔn)晶的能力不同。三種稀土元素中，Dy的能力最強(qiáng)，而Nd最弱。

（2）準(zhǔn)晶形態(tài)受球形臨界半徑的控制，僅當(dāng)半徑小于此臨界半徑時(shí)，球形準(zhǔn)晶才可形成，否則得到的將是長大的花瓣?duì)顪?zhǔn)晶。三種稀土元素Ce、Dy和Nd形成球形準(zhǔn)晶所需的添加量分別是0.8%，0.2%和0.5%。此外，本文冷卻條件下形成四元Mg－Zn－Y－RE準(zhǔn)晶的球形臨界半徑約為5.5～6.0μm。

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Effects of RE（RE=Ce,Dy,Nd）on Microstructures of Mg-Zn-Y-based Quasicrystal Alloy

WANG ZhiFeng,ZHAO WeiMin,CUI Yan,FAN ShengLei
（School of Materials Science and Engineering Hebei University of Technology,Tianjin 300130,Hebei China）

Mg-Zn-Y-RE （RE=Ce,Dy,Nd） quasicrystal alloys have been fabricated under cooling conditions of cast iron die.Effects of different RE elements on Mg-Zn-Y-based quasicrystal microstucture have been researched,resulting in that petal-like quasicrystals and lamellar eutectic were main phases.EDS analysis indicated that it was not easy for Nd to form quarternary quasicrystals while it was very easy for Dy to form quarternary quasicrystals.The further study showed that the quarternary quasicrystal morphology was decided by the spherical critical radius.The contents of RE for forming spherical quarternary quasicrytals were 1.0 for Ce,0.2 for Dy and 0.5 for Nd,respectively.Moreover,the critical stable radius Rr of Mg-Zn-YRE quasicrystals was about 5.5-6.0μm under cooling process of this paper.

Quasicrystals；Mg alloy；Rare earth；Microstructure

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）03－3

河北省自然科學(xué)基金（E2010000057）資助項(xiàng)目

2011－01－14

2011－007

王志峰（1982－），男，博士研究生，研究方向：輕合金及其加工技術(shù)