Mg-Li合金是目前最轻的金属结构材料[1-4]，其密度只有1.35~1.65g/cm3，比强度高于常用镁合金，并且具有良好的冷、热变形能力[5-8]。因此，近些年来在航空航天、汽车、电子等领域受到重视，并得到了试验性应用。由于这种合金强度较低，成为制约其进一步应用的主要障碍。
当Li含量低于5.7%(质量百分数，下同)，合金是以Mg为基体的α相固溶体[9,10]，该系列合金虽然锂含量较低，但其二元合金的强度依然不高。添加合金元素是一种提高合金强度的有效方法，Al和Zn是Mg-Li合金中常使用的合金化元素，研究表明[11]，Al含量在3%时，Mg-Li合金具有高强度的同时也保持着良好的塑形。Zn的含量较低时，强化效果不明显，而含量过高又会增加合金的密度，且会增加合金在浇注过程中的热裂倾向，因此Zn含量一般选择2%左右[12]。Nd元素作为一种高效的合金化稀土元素被用于高强高韧镁合金的开发，并取得了较好的效果[13]。牛高等人[14]研究了Nd元素对AZ91合金的改性结果表明，当Nd含量为2.0%时, 针状的Al11Nd3相和块状的Al2Nd相是主要的Al-Nd相;Liu等[15]研究了Nd含量对Mg-8Li-Al三元合金的显微组织和力学性能的影响发现，Nd以Al2Nd相的形式存在，当Nd含量为0.6%时，合金的晶粒细化效果明显，晶粒尺寸最小。Li等[16]的研究表明，Mg-8Li-3Al合金的α相晶粒尺寸随着Nd含量的增加而减小，当Nd含量为1.6%时，α相的尺寸最小，合金中生成的Al2Nd分布在β相及其相界处，Nd对合金的拉伸强度和延伸率有良好的改善效果，然而过多的Al2Nd颗粒会造成位错塞积，在拉伸过程中成为了断裂源，对合金的塑性不利。与铸造镁合金产品相比，变形镁合金产品(如挤压、锻造、轧制)由于在塑性变形过程中消除了铸造缺陷，细化了合金晶粒，可使合金的综合性能大幅度地提高[17-20]。
本文主要对铸态和挤压态Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd(x=0.4,0.8,1.2,1.6,2.0%)合金的显微组织进行了观察，测试了不同Nd含量的合金在室温下的拉伸性能。
1 实验材料及方法
实验使用的原料为纯Mg(99.9%)、纯Li(99.9%)、纯A1(99.9%) 、纯Zn(99.9%)和Mg-Nd中间合金(Nd含量为19%)。在真空感应熔炼炉中使用氩气保护熔炼，浇铸成块状和棒状的合金铸锭。块状合金用于铸态组织及性能研究，棒状合金经车削加工成Φ50mm铸棒用于挤压加工。在挤压前将铸锭加热至370℃保温3h，挤压筒加热到280℃，将合金放入Φ58 mm内孔的挤压模具内进行正向热挤压，挤压后棒材直径为Φ14 mm。
按照标准金相试样方法制备的试样使用耐水砂纸打磨至2000目，接着机械抛光到表面光亮，然后使用金相腐蚀液(铸态合金使用腐蚀液是4vol.%的硝酸酒精;挤压态合金使用的腐蚀液成分是：0.2g苦味酸+50ml酒精+2.5ml乙酸+5ml蒸馏水)侵蚀后在Leica DMIRM金相显微镜上观察合金的显微组织。合金相成分分析在TTRⅢ Rigaku型的X射线衍射仪上完成。在Camscan MX2600FE型扫描电镜及OXFORD能谱仪上进行合金高倍显微分析以及微区成分的测定。按照国标GBT4338-2006《金属材料拉伸试验》制备试样后, 在CMT-5305型电子万能试验机上进行拉伸试验，恒定应变速率为10-2s-1 。每种样品的拉伸试验均重复3次，文中的抗拉强度和延伸率的结果均为3次测试后的平均值。
2 实验结果
2.1合金的显微组织
铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金的基体是以α-Mg基体的固溶体(图1)，合金中沿着晶界处分布着一些絮丝状组织。在晶粒内部还分布有一些蠕虫状(图中A点指示)和颗粒状(图中B点指示)的金属间化合物。
图1铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金显微组织照片
Fig.1 Microstructure of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd alloy
对Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金进行固溶处理后的显微组织如图2所示。固溶处理后，合金的晶界清晰可见，为准确测量晶粒尺寸提供了便利。合金中原本存在的絮丝状化合物消失，少量的黑点状和蠕虫状化合物仍然存在。使用截线法测量的晶粒尺寸如图3所示，结果表明，随着稀土Nd含量的增加，合金的晶粒尺寸整体上呈现逐渐减小的趋势。
图2 铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金固溶处理后(380℃，2h)的显微组织照片
Fig.2 Microstructure of Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloy after solid solution treatment at 380℃ for 2ha (x=0), b (x=0.4), c (x=0.8), d (x=1.2),e (x=1.6),f (x=2.0)
图3平均晶粒尺寸测量结果
Fig.3 Average grain size of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloys (x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)
图4是挤压态Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金的显微组织照片。合金在热挤压过程中，发生了动态再结晶，形成了大量且均匀的等轴晶，晶粒得到了细化。随着Nd含量的增加，合金中黑色絮丝状组织逐渐变少，当加入2.0%时，该相在合金中消失，铸态合金中存在的蠕虫状和颗粒状化合物在挤压过程中被挤碎成细小的颗粒，它们弥散分布在合金中。
图4挤压态Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金的显微组织(垂直挤压方向)
Fig.4 Microstructure of as-extruded Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloys (perpendicular to extrusion direction) (x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)
2.2合金的物相
图5是铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金XRD图谱。在N2和N3号合金中有AlLi相的峰，继续增加Nd含量后，AlLi相衍射峰变弱，甚至消失。而Al11Nd3 和Al2Nd的衍射峰明显增强。这应该是由于Nd元素在合金中达到极限固溶度后，剩余的部分与Al生成了Al-RE金属间化合物。
图5铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金XRD图谱
Fig.5 XRD patterns of Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd: x=0.4–2.0wt. %
N2 (X=0.4),N3(X=0.8),N4(X=1.2),N5(X=1.6),N6(X=2.0)
图6是对铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金的SEM和EDS分析。在合金中选取了图中箭头标注的位置进行了EDS分析，该点的Al与Nd原子数比为25.48:10.26(表1)，接近2:1，结合XRD的分析结果，可以判定此相为Al2Nd。在扫描电镜下可以清晰地看出该化合物的形貌特征为方块状。
图6 铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金的SEM和EDS分析
Fig.6 SEM and EDS analysis of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd alloy
表1 EDS测试的元素含量
Table.1 The element content testing with EDS
图7是对铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-2.0Nd合金的SEM和EDS分析。在合金中选取了图中箭头标注的位置进行了EDS分析，该点处的Al与Nd原子数比为9.41:2.86(表2)，接近11:3，结合XRD的分析结果，可以判定此相为Al11Nd3，并可以观察出其形态为细针状。
图7铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-2.0Nd合金的SEM和EDS分析
Fig.7 SEM and EDS analysis of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-2.0Nd alloy
表2 EDS测试的元素含量
Table.2 The element content testing with EDS
对铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-0.4Nd合金中絮丝状化合物进行的面扫描，如图8所示。通过测试发现，该絮丝状的化合物中Al元素的含量很高，可以认为是含Al元素的化合物。结合XRD的测试结果，可以判定其为AlLi相。
图8铸态Mg-5Li-3Al-2Zn-0.4Nd合金中各元素的面扫描测试
Fig.8 EDS analysis of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-0.4Nd alloy
(a)SEM image,(b)mapping of Mg element,(c)mapping of Al element,(d)mapping of Nd element,(e)mapping of Zn element
2.3合金的力学性能
图9是对不同Nd含量合金的室温准静态单轴拉伸结果。铸态和挤压态合金的抗拉强度随着Nd含量变化的趋势基本相同(图9a)。当Nd含量在1.2%时，铸态合金的抗拉强度达到最大值(195MPa)，而挤压态合金是在Nd含量为0.8%时，抗拉强度达到最大值(281MPa)。挤压变形后，合金的最大抗拉强度大约提高了42.6%。图9b的结果表明，挤压态合金的延伸率明显高于相对应的铸态合金。挤压态最高的延伸率为26.4%，而铸态最高的延伸率仅为17.8%。合金在挤压过程中发生了动态再结晶，晶粒得到细化，导致合金的强度和塑性得到显著提高。
图9不同Nd含量合金的力学性能
Fig.9 Mechanical properties of Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloys(x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)
(a)tensile strength,(b) elongation
3 分析讨论
在Mg-Al合金中加入RE后，RE会优先与Al形成Al-RE化合物，在Mg-Li合金中也存在同样的规律[11,23]，无论是从元素间形成化合物的电负性[11,21,23]还是从热力学计算[22]都已经证明了这个结论。从而也就解释了随着Nd含量的增加，合金中AlLi相不断减少，甚至消失。由于合金中同时有Al2Nd和Al11Nd3 相形成，而在加入稀土Y元素的研究中合金内仅形成Al2Y这一种相[23]，因此，本文的结果说明在Mg-Li合金内加入Nd时，Nd的行为与Y不完全类似，有必要对Al11Nd3 相形成进行探究。
从Al-Nd二元相图[24]中可以看出Al2Nd相最高熔点是1460℃，Al11Nd3相是液态相与Al2Nd在1235℃通过包晶反应形成的。950℃是α-Al11Nd3和β-Al11Nd3同素异形体的转变温度。合金在熔炼过程的温度远低于1235℃和950℃，因此，在该合金制备过程中没有发生包晶反应。从相图的富Al端可知，合金在凝固的过程中应该生成的是Al11Nd3，并且是α-Al11Nd3。
本实验的XRD测试中也发现，在图5的N5中出现了比较弱小的Al2Nd的衍射峰，并且随着Nd含量的增加，其衍射峰强度也在增加。分析认为，只有Nd元素含量高时，合金在凝固过程中局部溶质原子的富集程度才能达到满足生成Al2Nd的要求，否则，就会先形成Al11Nd3 。在牛高等人的研究[14]中也发现，当Nd含量超过2.5%后Al2Nd才成为了合金中主要的Al-RE相。另外，也有研究表明[25]，Al11Nd3相通过高温蠕变反应可以分解出Al2Nd。
4.结论
(1)Nd对铸态合金有显著的晶粒细化效果。
(2)随着Nd含量的增加，合金中除了有针状的Al11Nd3稀土化合物外，还有块状的Al2Nd出现。
(3)合金中Nd的添加量为1.2%时，铸态合金的抗拉强度达到195MPa，延伸率达到17.20%;挤压态合金在Nd添加量为0.8%时拉伸性能最佳，抗拉强度达到281MPa，延伸率达到26.4%。
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作者简介： 孙强，男，1977年出生，毕业于哈尔滨理工大学材料工程专业，工学硕士，高级工程师，东北轻合金有限责任公司工程建设指挥部主任。
声明：
“稀土Nd对α相Mg-Li合金的显微组织和拉伸性能的影响” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：东北轻合金有限责任公司
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