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准晶(Ⅰ相)和长周期结构(LPS)是Mg-Zn-Y系镁合金中强化效果十分显著的两种特征强化相,因此对其形成合金的铸态组织结构及热处理后变化特征的了解极其重要。本文设计/制备了三种具有不同Zn/RE比的合金,Mg95.8Zn3.6Y0.6、Mg96Zn3Y1、Mg97Y1.6Pr0.4Zn1,并综合利用SEM、XRD、TEM以及纳米压痕等分析手段对其铸态及在高温热处理下包含准晶、长周期结构及其它强化相的组织结构乃至微区力学性能的变化进行了研究。
对具有较高Zn/Y比(=6/1)的Mg95.8Zn3.6Y0.6合金,其铸态合金形成了明显的网状组织,其构成包含三种合金相,即多数的二十面体准晶、少数的面心立方W相以及微量的准晶近似相Wa相。经425℃长时间热处理以后,准晶仍然存在,而W相几乎完全消失,同时合金中形成了Mg12ZnY型长周期结构关联相。这种合金相组态变化预示了实现准晶与长周期复合强化的可能性。
对Zn/Y比为3/1的Mg96Zn3Y1合金,其铸态结构形成了由主要的W相和少量准晶相构成的特征网状组织。500℃+4h高温热处理后,铸态网状组织形貌整体虽未发生明显变化,但其中的准晶相基本消失。而W相保持稳定。与铸态合金相比,500℃高温热处理后Mg基体中析出大量弥散分布的与面心立方W相同结构的片状W相。高分辨电子显微观察清楚地揭示出,W相沿基体(001)Mg面以台阶方式生长,生长前端与基体形成半共格关系,取向关系为:
[233]W//[110]Mg,(311)W//(110)Mg,(022)W//(001)Mg。
纳米压痕测试结果表明W相的高温弥散析出具有明显的强化效果;基体硬度从铸态时的1.0 Gpa上升到热处理后的1.2 Gpa,弹性模量从铸态时的46.5Gpa提高到热处理后的51.5 Gpa。此外,首次对W相与α-Mg的共晶组织进行了纳米压痕测试分析,确定了其硬度为2.6 Gpa,弹性模量为65.7 Gpa,这些结果直接证明了W相是Mg基体的强化相。
对于Zn/(Y,Pr)比为1/2的Mg97Y1.6Pr0.4Zn1合金,发现其铸态合金形成了含Pr的14H型长周期堆垛结构。490℃+7h热处理后,含Pr长周期结构在基体中仍然存在,且堆垛方式仍为14H型,说明含Pr长周期具有较高的热稳定性。在507℃+7h或524℃+7h热处理后,基体中形成的长周期基本固溶消失,但网状组织中能够通过低温分解反应形成长周期结构的Mg12YZn型层状结构仍然存在。