Vol.28 No.2 彭卓凯等：Zr在Mg-9Gd-4Y合金中的晶粒细化机制 ·149· 向Mg-9%Gd-4%Y合金中分别添加0.5%， 充足的Zx含量，在熔体底部必须要有相当过量的 1.0%,1.5%的Zr时，实际得到的Zr含量分别只 Zr存在，且Zx的熔解速度必须快于沉淀速度.如 有0.25%，0.40%，0.51%. 果由于沉淀损失的Z:量大于从坩锅底部吸收的 表1合金的化学成分（质量分数） Zr量，那么熔体中熔解的Zr含量将下降，故在实 Table 1 Chemical composition of experimental alloys 际的熔铸操作中，所添加的Z必须远远超过合金 名义合金 制备合金 Zr Gd Y Mg 牌号中规定的量.实验中所获得的Z:含量都远 Mg9Gd4Y Mg9Gd4Y -8.743.80Bal. 低于所添加的Zr量. Mg9Gd4Y-0.5ZrMg9Gd4Y-0.25Zr0.258.673.65Bal. 2.2Zr对晶粒大小的彩响 Mg9Gd4Y-1.0Zr Mg9Gd4Y-0.40Zr 0.40 8.79 3.54 Bal 不含Zr的Mg-9Gd-4Y合金及含少量Zr的 Mg9Gd4Y-1.5ZrMg9Gd4Y-0.51Zx0.518.553.78Bal. Mg-9Gd-4Y0.25Zr合金的宏观组织见图1.不 含Zr的Mg一9Gd-4Y合金在宏观上表现为非常 根据E.F.Emley的研究2，在Mg-Zr合金 粗大的等轴晶.加入Zr后，尽管Zr含量只有 熔体中，有一些因素（如Fe的吸收等）会持续起作 0.25%,但晶粒已明显被细化，另外，在两种合金 用使熔解的Z从熔体中沉淀出来.因此，要获得 中，铸锭边缘都没有柱状晶，边缘和中心的组织没 a (b) 图1Mg-9Cd-4Y合金(a)和Mg-9Gd-4Y-0.25Zr合金(b)的宏观组织 Fig.I Macrographs of the Mg-9Gd-4Y alloy (a)and the Mg-9Gd-4Y-0.25Zr aloy (b).The grain size of samples with 0.41%Zr and 0.51%Zr is too smalt to be revealed macroscopically 什么差别，铸锭边缘和中心都为等轴晶.Zr含量 续增加时，晶粒尺寸继续减小，但减小的幅度已不 更高的Mg-9Gd-4Y-0.40Zr合金和Mg-9Gd- 是那么剧烈.Mg-9Gd-4Y-0.40Zr和Mg-9Gd- 4Y-0.51Zr合金，其晶粒更细. 4Y-0.51Zr合金的晶粒尺寸分别为73um和 图2为四种合金在光学金相显微镜下的微观 64um. 组织.从图中可以看出，不含Zr的Mg-9Gd-4Y 图3(a),(b)分别为图2(c),(d)的放大.从 合金为异常粗大的枝晶（图2(a),枝晶之间分布 图3可以更清晰地看到，在高Zr含量的Mg-9Gd 有大量的富Gd,Y溶质相，平均晶粒尺寸为1724 -4Y-0.40Zr和Mg-9Gd-4Y-0.51Zr合金中，几 um.形成这种粗大晶粒的原因主要是因为在本 乎每个晶粒内都含有一个核，在有的核里还含有 实验条件下采用了较慢的冷却速率（高的浇注温 一个或多个金属粒子.对这些核中的粒子进行能 度以及模子有限的冷却能力)所致.但是在Z:含 谱分析（见图4）表明，它是一个Zr粒子.从图3 量仅为0.25%的Mg-9Gd-4Y-0.25Zr中，微观 也可以发现，并不是每一个核里都含有这种Z:粒 结构已经发生了明显的变化：枝晶形貌已经基本 子.正如E.F.Emley认为，只有当抛光面刚好 消失，而转变为均匀分布的多边形状等轴晶，富溶 截过核中的这些粒子时，它们才能被观察到2] 质相已大大减少；晶粒已经被极大地细化，平均晶 因此可以确定在每一个富Z:核结构中都含有至 粒尺寸减少到141μum,仅为Mg-9Gd-4Y合金的 少一个Zr粒子.这种富Zr核被认为是凝固过程 1/12(图2(b)).由此可见，在Mg-Gd-Y系合金 中发生包晶反应的结果[2].Mg9Gd-4Y-0.40Zr 中，Zr是一种强有力的晶粒细化剂.当Zr含量继 和Mg-9Gd-4Y-0.51Zr合金的微观组织没有本V o l . 2 8 N O 。 2 彭卓凯等 : z r 在 M g 一 , dG 一 4 Y 合金中的晶粒细化机制 向 M g 一 9 % Gd 一 4 % Y 合金 中分别 添 加 0 . 5 % , 1 . 0 % , 1 . 5 % 的 z r 时 , 实际得 到的 Z r 含量 分别 只 有 0 . 2 5 % , 0 . 4 0 % , 0 . 5 1 % . 表 1 合金的化学成分 (质t 分数 ) T a b l e 1 C h e l 月因 , 山脚姻 川 on of xe eP d此 ut 目 目 l o y s % 名义 合金 制备合金 rz G d Y M g M萝 G d4 Y M四 G d 4 Y 一 8 . 7 4 3 . 8 0 aB l . M g dG 4 Y 一 0 . S Z r M g dG 4 Y 一 0 . 2 5 Z r 0 . 2 5 8 . 6 7 3 . 6 5 B a】 . M岁 G d4 Y 一 1 . OZ r M岁 G d4 Y 一 0 . 4 0 Z r 0 . 4 0 8 . 7 9 3 . 5 4 aB l . M妇 G d 4 Y 一 1 . S Z r M岁 dG 4 Y 一 0 . s l Z r 0 . 5 1 8 . 5 5 3 . 7 8 aB l . 根 据 E . F . E m l e y 的研究 [ 2」 , 在 M g 一 z r 合金 熔体中 , 有一些 因素 (如 F e 的吸收等 )会持续起作 用使熔 解的 Z r 从熔 体中沉淀出来 . 因此 , 要 获得 充足 的 Z r 含 量 , 在熔体底部 必须要 有相 当过量 的 Z r 存在 , 且 Z r 的熔解速度必 须快于 沉淀速 度 . 如 果 由于沉淀 损失 的 Z r 量大 于 从增锅 底部 吸收 的 Z r 量 , 那么熔体中熔解的 Z r 含量将下降 . 故 在实 际 的熔铸操作中 , 所添加 的 Z r 必须远远超 过 合金 牌号 中规定 的 量 . 实验中所 获得 的 Z r 含 量 都远 低 于所添 加的 Z r 量 . 2 . 2 z r 对晶粒大小 的影响 不 含 zr 的 M g 一 g G d 一 4 Y 合金及含 少量 rZ 的 M g 一g G d 一 4 Y 刃 . 25 rZ 合金 的宏观组织见 图 1 . 不 含 rZ 的 M g 一 g G d 一 4 Y 合金在宏观 上表现 为非常 粗大 的 等轴 晶 . 加 入 Z r 后 , 尽 管 Z r 含 量 只 有 0 . 2 5 % , 但晶粒 已明显被细化 . 另 外 , 在两 种合金 中 , 铸锭边缘 都没有 柱状 晶 , 边缘和 中心 的组织 没 图 1 M g 一 ,“ 一 4 Y 合金 ( a) 和 M g 一 , dG 一 4 Y一 sZ rZ 合金 ( b》的宋观组织 n g . 1 Mac 找甩’aI p抽 o r t加e M g 一 9 ;d( 一 4 Y a ll妙 ( a 】an d th e M g 一 g G d 一 4 Y 一 0 . 25 z r 目叮 ( b】 . T h e g r a i o s iez o f s a〔 n p一se w t th o . 4 1% z r an d 0 . 5 1% Z r 1 5 t o s姗 11 t o be er , e a lde m a e哪co P ica lly 什么差别 , 铸锭边 缘和 中心 都为等轴 晶 . z r 含量 更高的 M g 一 g G d 一 4 Y 一 0 . 4 o Z r 合金 和 M g 一 g G d - 4 Y 一 0 . sl rZ 合金 , 其晶粒 更细 . 图 2 为四 种合金在 光学金 相显微镜下 的微观 组织 . 从 图中可 以看 出 , 不 含 z : 的 M g 一 g G d 一 4 Y 合金为异常粗大的枝 晶 (图 2 ( a ) ) , 枝晶之 间分布 有大量 的富 G d , Y 溶质相 , 平均 晶粒尺寸为 1 7 24 拼m . 形成这 种粗大晶 粒 的原 因主 要 是 因 为在 本 实验条 件下采 用了 较慢的冷 却速 率 (高的浇注 温 度 以及模子有 限 的冷却能力 )所 致 . 但 是在 Z r 含 量仅 为 0 . 2 5 % 的 M g 一 g G d 一 4 Y 一 o . 2 5 Z r 中 , 微 观 结构 已经发生 了 明显 的变化 : 枝晶形 貌已 经 基本 消失 , 而 转变为均匀分布的多边形 状等轴晶 , 富溶 质相已 大大减少 ; 晶粒已 经被极 大地细 化 , 平均 晶 粒尺寸减少到 14 1 拼m , 仅为 M g 一 g G d 一4 Y 合金的 1/ 12 (图 2 ( b) ) . 由此 可见 , 在 M g 一 G d 一 Y 系合金 中 , Z r 是一种强有力 的晶粒细 化剂 . 当 Z r 含量 继 续 增加时 , 晶粒尺 寸继续减小 , 但减小 的幅度已 不 是 那么剧 烈 . M g 一 g G d 一4 Y 一0 . 4 0 2 : 和 M g 一g G d - 4-Y 0 . 51 2 : 合 金 的 晶 粒 尺 寸 分 别 为 73 拌m 和 6 4 拌m . 图 3 ( a ) , ( b )分 别为 图 2 ( c ) , ( d )的放大 . 从 图 3 可 以更 清晰地 看到 , 在高 rZ 含量 的 M g 一 g G d 一 4 Y 刁 . 4 0 2 : 和 M g 一 g G d 一4 Y 一0 . s i z r 合金 中 , fL 乎每个 晶粒 内都含 有一个 核 , 在 有 的核 里还 含 有 一个 或多个金属粒子 . 对这 些 核 中的粒子进行 能 谱分析 ( 见 图 4) 表 明 , 它是 一 个 Z r 粒 子 . 从 图 3 也 可以发现 , 并不是 每一个 核里都含有这种 Z r 粒 子 . 正如 E . F . E m lcy 认 为 , 只有 当抛 光 面 刚 好 截过 核中的这 些 粒子 时 , 它们才能被观 察到 2[] . 因此可 以确 定在 每一 个 富 Z r 核结构中都含 有至 少一个 Z r 粒 子 . 这种富 Z r 核 被认为是 凝固过 程 中发生包晶反 应的结果 2[] . M g 一 g G d 一 4 Y 一0 . 40 rZ 和 M 又一 g G d 一4 Y 一 0 . 5 1 Z r 合金 的微观组 织 没 有本