原标题：Ce、Cu、Ag合金化对铸造Mg-7Bi合金组织与性能的影响

镁合金作为最轻的金属结构材料被广泛应用于汽车轮毂、变速箱壳体、座椅骨架等零配件领域，对于实现节能减排和产品轻量化等方面具有积极意义。与铝合金、钢铁等其他金属结构材料相比，强度不够高、耐腐性能差和耐热性较差是限制镁合金发展的重要因素。目前被报道的AZ系列、AM系列镁合金已经在强度上获得了很大提高，相关铸造合金的抗拉强度可达到190 MPa以上。同时，Mg-Gd、Mg-Sn和Mg-Bi系列合金作为耐热镁合金产品近年来受到更多的研究者关注，其中Mg-Sn和Mg-Bi系列合金具有良好的开发前景，成本明显低于Mg-Gd等含稀土耐热镁合金。目前，LI X等报道了Mg-6Bi合金的时效行为，JAE W C等也研究了Mg-5Bi-3Al合金的显微组织与力学性能。可见高Bi含量的镁合金具有较大的开发价值，而作为发动机壳体等耐热部位的潜力轻量化材料，对耐热性能和力学性能的综合性能要求较高，有必要开发一种铸态Mg-7Bi合金，并且通过合金化优化显微组织和力学性能，使其适用于大铸件应用场景。

值得关注的是，在Mg-Bi合金中容易形成稳定性较强的Mg3Bi2相，该第二相的熔点达到821 ℃，明显高于Mg17Al12（432 ℃）、Mg2Sn（771 ℃）和MgZn2（413 ℃）等常见第二相的熔点，对于提高Mg-Bi合金的耐热性具有重要意义。目前所报道的Mg-Bi系列合金强度一般集中分布在50~150 MPa，伸长率一般不超过10%，整体上强塑性相对较差。合金化是有效改善合金显微组织和力学性能的重要途径，Al、Zn、Cu、Mn、Zr等通过固溶强化、细晶强化和第二相强化来提高合金强度。对于开发耐热性较高的Mg-Bi合金，添加Ce和Cu元素进一步形成的Mg2Cu或Mg12Ce相也具有较好的耐热性，同时与Ag元素共同添加到Mg-Bi合金中，可以起到良好的细晶强化效果。

根据Mg-Cu、Mg-Ce二元相图，通过向镁合金中添加（质量分数，下同）2%的Ce和2%的Cu，可以形成熔点分别为568 ℃、611 ℃的Mg2Cu和Mg12Ce第二相，既可形成少量的差异耐热第二相，又达到细化晶粒的效果。Ag元素添加一般不超过1%，难以形成第二相，能够发挥Ag元素固溶强化和细晶强化效果，且不会因形成Mg54Ag17第二相导致添加的Ag元素浪费。本研究通过优化铸造工艺，利用分步添加熔炼合金原材料的手段，开发一种具有优异力学性能的Mg-Bi-Ce-Cu-Ag合金，进一步分析合金元素添加对合金显微组织与力学性能的影响，从而为耐热Mg-Bi合金的研究提供参考。

图文结果

原材料为高纯Mg块（＞99.95%，质量分数，下同）、高纯Bi颗粒（＞99.9%）、高纯Cu颗粒（＞99.9%）、高纯Ag颗粒（＞99.95%）和Mg-20Ce中间合金块，单炉按总质量0.8 kg配比称重，合金的实际化学成分（使用XRF测得）见表1。在真空气氛井式电阻炉（TRL-6JZK-12）中进行熔炼，保护气氛采用体积分数为99%的CO2与1%的SF6的混合气体，熔炼坩埚为低碳钢坩埚。首先将坩埚放入熔炼炉升温至500 ℃，将Mg块和Mg-20Ce中间合金块放入坩埚中保温10 min完成烘干处理，通入保护气体升温至720 ℃保温20 min完成合金块熔化，将Bi、Cu和Ag颗粒投入熔化的金属液中，继续升温至735 ℃保温20 min，然后降温至700 ℃，再向熔液中添加除渣剂并搅拌，清理完表面浮渣后，将金属液浇注至预热到200 ℃的模具中，模具含浇口和冒口的尺寸为180 mm×120 mm×20 mm。

将铸造合金切割成10 mm×10 mm×10 mm的块体进行显微组织测试。使用DX2000型X射线衍射仪（XRD）进行物相检测，扫描范围为20°~80°，扫描速度为6 （°）/min。扫描组织观察试样表面使用800号SiC砂纸进行终磨，在抛光机上使用丝绒抛光布和金刚石抛光液进行抛光，腐蚀液采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液。使用S3400N扫描电镜（SEM）进行形貌及元素分布观察，并用ImageJ通过截线法测量平均晶粒尺寸；利用2100F透射电镜（TEM）进一步观察第二相形貌、元素分布及原子高分辨结果；拉伸试样示意图见图1，室温下在微机控制电子万能试验机上以1×10-3 s-1的拉伸速度完成拉伸试验，每种合金测试3个有效试样，取平均值。

表1 Mg-Bi合金的化学成分(%)

图1 拉伸试样尺寸示意图

铸造Mg-7Bi、Mg-7Bi-2Ce和Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的扫描组织见图2。可以看出，3种合金均呈现典型的等轴树枝晶组织，测得平均晶粒尺寸分别为88.71、76.42和61.76 μm，可见通过Ce、Cu、Ag元素添加可以显著细化晶粒尺寸。同时，发现大量的沿晶界分布的连续第二相与晶内分布的块状第二相，随着合金元素添加，第二相含量有增加的趋势。图3为不同合金的XRD图谱。可以看出，铸态Mg-7Bi合金主要由α-Mg基体和Mg3Bi2相组成；添加Ce、Cu、Ag元素后，XRD结果中出现Mg2Cu的衍射峰及不明显的Mg12Ce衍射峰，但未发现含有Ag元素的衍射峰。

图2 不同铸造合金的SEM组织

图3 不同合金X射线衍射图谱

图4为铸造Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的显微组织及元素分布结果。可以看出，在晶界处及块状第二相分布的位置，不同程度富集了Bi、Ce和Cu元素，可以进一步确认铸造Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金中Mg3Bi2相、Mg2Cu相及少量Mg12Ce相的存在。

图5和图6为铸造Mg-7Bi合金和Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金中块状第二相的TEM结果。由图5a～图5c可以得出，富集Bi元素的第二相在铸造Mg-7Bi合金被检测到，并通过图5e衍射斑标定结果，确定为Mg3Bi2相。图5f中测量得出第二相与α-Mg基体的5倍晶格间距，Mg3Bi2相的晶格间距为0.421 9 nm，α-Mg基体的晶格间距为0.234 4 nm，两者界面的晶格错配度较大。从图6可以看出，存在Bi、Cu、Ce及少量Ag元素富集的区域，推测该位置为优先形核的位置，形成了明显的Mg3Bi2、Mg2Cu和Mg12Ce第二相，与XRD和SEM结果一致。

图4 铸造Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金SEM组织及元素分布图

图5 铸造Mg-7Bi合金TEM测试结果

图6 铸造Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的TEM形貌及元素分布结果

图7为不同Mg-Bi合金的工程应力-应变曲线，所测得的平均晶粒尺寸和力学性能见表2。可以看出，不同合金的拉伸曲线整体规律一致，添加合金元素后合金强度和塑性有较大变化。Mg-7Bi合金的室温抗拉强度仅为130.9 MPa，伸长率为11.55%；添加（质量分数）2%的Ce后合金的抗拉强度提高至149.1 MPa，进一步添加2%的Cu和1%的Ag后合金的抗拉强度提高至169.8 MPa，且伸长率仍然保持在10.54%。Ce、Cu和Ag元素同时添加使得铸造Mg-7Bi合金的强塑积由1 511.9 MPa·%提升至1789.7 MPa·%，综合力学性能改善效果显著。

图7 不同铸造合金拉伸过程的工程应力-应变曲线

表2 不同铸造合金的平均晶粒尺寸及力学性能

结论

（1）铸态Mg-7Bi合金由α-Mg和Mg3Bi2相组成，其中第二相沿晶界连续分布或以块状均匀分布在晶界内。

（2）合金元素Ce、Cu和Ag添加使得Mg-7Bi合金的晶粒尺寸减小，铸态Mg-7Bi合金的平均晶粒尺寸为88.71 μm，而Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的平均晶粒尺寸仅为61.76 μm，且在合金中形成了少量的Mg2Cu和Mg12Ce第二相。

（3）添加Ce、Cu和Ag元素，依靠细晶强化、第二相强化和固溶强化使得铸造Mg-7Bi合金抗拉强度显著提升且塑性未出现明显降低。铸态Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的抗拉强度达到169.8 MPa，伸长率仍然保持在10.54%，强塑积由1 511.9 MPa·%提升至1 789.7 MPa·%，综合力学性能改善效果显著。

《Ce、Cu、Ag合金化对铸造Mg-7Bi合金组织与性能的影响》

李万东 左明伟 丁超群  雒新宇 宋晓明

上海交通大学材料科学与工程学院，轻合金精密成型国家工程研究中心

本文转载自：《特种铸造及有色合金》