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《吉林大学》 2010年
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稀土镁合金的组织、性能及半固态组织演变规律

苏桂花  
【摘要】: 镁合金作为目前最轻的金属结构材料,具有低密度、高比强度、机械加工性好、阻尼性高、可再生利用等优点,在航空航天、汽车、电子等军用和民用领域的应用日益广泛,开发强度高、耐热性和耐蚀性好、成本低廉的镁合金材料和产品,是该领域研究工作的重点。 稀土元素是镁合金中的重要合金元素之一,以往的研究发现,在镁合金中添加稀土元素,可以细化合金的晶粒,降低合金中低熔点相的含量,与镁或其它合金元素生成熔点高、热稳定性好的第二相,从而提高镁合金的室温和高温性能。本文以创建节约型社会为指导思想,从节约原料成本出发,研究了低含量添加稀土元素Y对Mg-Al-Mn合金铸态、轧制态下的显微组织和力学性能的影响,并以富钇稀土替代纯稀土,研究了Y含量对Mg-Mn-Ce合金铸态、挤压态下的显微组织和力学性能的影响,为新型含稀土变形镁合金的开发以及在工程上的应用提供可靠的理论依据。针对目前稀土镁合金的半固态工艺研究较少的情况,对Mg-8Gd-2Y-1Nd-0.3Zn-0.6Zr镁合金的半固态组织演变进行了研究,为稀土镁合金的半固态触变成形提供参考。提出了稀土镁合金力学性能和抗氧化性综合研究的构想,并从稀土镁合金的抗氧化机理入手,从氧化热力学、氧化膜完整性、氧化动力学、阻燃机理几方面系统分析了稀土元素对镁合金抗氧化性能的影响,为进一步的研究工作奠定理论基础。 本文的主要研究工作和成果如下: 1、研究了添加稀土元素Y对Mg-Al-Mn系镁合金的铸造态、热轧态的组织和力学性能的影响。研究结果表明,在Mg-Al-Mn系镁合金中加入不同含量的稀土元素Y后,生成具有高熔点和高热稳定性的块状Al2Y相。随着Y含量的增加,合金的晶粒得到细化,合金在铸态下的力学性能有所提高,当稀土元素Y的质量百分含量为0.9%时,合金的室温力学性能达到最佳。在400℃经70%热轧变形的Mg-6Al-0.3Mn-0.9Y合金具有较高的室温力学性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为303MPa、255MPa和17.1%,与铸态Mg-6Al-0.3Mn合金相比,抗拉强度提高了70%,屈服强度提高了335%,延伸率提高了50%。在热轧过程中,Al2Y相通过对位错运动的阻碍起到弥散强化的作用。合金的塑性变形机制主要是细晶强化、加工硬化和弥散强化。对轧制态合金进行退火的最佳的工艺参数是:退火温度为350℃,退火时间为30min。退火态Mg-6Al-0.3Mn-0.9Y合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为261MPa、149MPa和32%,与铸态Mg-6Al-0.3Mn合金相比,抗拉强度提高了45.8%,屈服强度提高了166.1%,延伸率提高了154%;与自身的轧制态相比,延伸率提高了87.1%。 2、通过对Mg-1Mn-0.6Ce-xY(x=0,1,2,3,wt.%)合金铸态及挤压态的显微组织及力学性能的研究,分析稀土元素Y的添加量对Mg-1Mn-0.6Ce镁合金显微组织及力学性能的影响。研究结果表明:在Mg-1Mn-0.6Ce系镁合金中加入富Y稀土后,合金主要是由α-Mg、Mg12Ce和Mg24Y5相组成。随着Y含量的增加,Mg12Ce相粗化,Mg24Y5相有聚集现象。铸态合金随着Y含量的增加,晶粒得到细化。挤压态合金的显微组织为大量平行分布的、细小的、等轴晶粒。对铸态合金,Mg-1Mn-0.6Ce-1Y合金具有最优的室温和高温力学性能。其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为152 MPa、72 MPa和13.4%,与Mg-1Mn-0.6Ce合金相比,抗拉强度提高了23.6%,屈服强度提高了63.6%,延伸率提高了38.1%;高温时,Mg-1Mn-0.6Ce-1Y合金与Mg-1Mn-0.6Ce合金室温时的强度相当,而延伸率提高了118.5%。对挤压态合金,其力学性能,尤其是屈服强度和延伸率与铸态合金相比有显著提高。挤压态Mg-1Mn-0.6Ce-1Y合金具有较佳的室温力学性能,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为254MPa、224MPa和26%,与铸态Mg-1Mn-0.6Ce合金相比,分别提高了106.5%、409.1%和168%。挤压态Mg-1Mn-0.6Ce-3Y合金室温下的延伸率最高,为37.5%。挤压态Mg-1Mn-0.6Ce-3Y合金的高温力学性能最佳,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为178MPa、127MPa和69.5%;与挤压态Mg-1Mn-0.6Ce合金相比,各项指标分别提高了49.6%、39.6%和88.3%。合金力学性能提高主要是由于晶粒细化和热稳定性高的Mg12Ce和Mg24Y5相对位错滑移及晶界移动的有效阻止引起的强化效应。 3、应用触变成形方法中的应变诱发法(SIMA)制备Mg-8Gd-2Y-1Nd-0.3Zn-0.6Zr (wt.%)稀土镁合金半固态坯料。通过对合金半固态组织演变过程的分析及半固态组织内部的微细结构的研究,确定适合该合金半固态成形的等温工艺,揭示稀土相的作用。研究发现:铸态Mg-8Gd-2Y-1Nd-0.3Zn-0.6Zr合金主要由α-Mg、Mg5RE、Mg24RE5和Mg41RE5(RE=Gd,Y,Nd)相组成。经过挤压变形以后,发生了动态再结晶,平均晶粒尺寸约为17μm。在固液两相区保温急冷后的组织是由Mg3RE与α-Mg相组成。在对挤压态Mg-8Gd-2Y-1Nd-0.3Zn-0.6Zr合金进行等温处理时,随着等温温度的升高,液相体积分数增加,固相粒子的形状逐渐圆整、平均尺寸减小,熔化机制是影响半固态组织演变的主要机制;随着保温时间的延长,液相体积分数增加,固相粒子尺寸增大的同时数量减少,Ostwald熟化机制是影响半固态组织演变主要。通过实验证明,适合Mg-8Gd-2Y-1Nd-0.3Zn-0.6Zr合金半固态成形的等温工艺是630℃下保温30min,此时合金的固相率为52%。 4、从化学反应热力学、动力学以及氧化膜完整性三个角度对镁合金的抗氧化机理进行了分析。研究表明,稀土元素与镁在标准状态下同时与氧相遇时,稀土元素优先氧化,生成的稀土氧化物比氧化镁稳定;镁和稀土元素对氧的亲合力由小到大的顺序是:Mg、La、Nd、Yb、Ce、Pr、Gd、Sm、Dy、Tb、Tm、Lu、Ho、Er、Sc、Y。实际镁合金熔液(温度为750℃)中,稀土元素的摩尔浓度大于0.14时,所有的稀土元素都可与MgO发生置换反应,夺取MgO中的氧。除了Yb、Eu以外的稀土元素与氧反应生成氧化膜的致密度系数都是稍大于1的,这种氧化膜具有良好的保护性。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG113

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