Mg-Y-Gd-Zn-Zr镁合金组织、性能及其蠕变行为研究

【摘要】： 镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料,具有比重小、比强度、比刚度高、导热导电性好、阻尼性、切削加工性好等优点。近年来人们相继开发了Mg-Y-Nd-Zr和Mg-Gd-Y-Zr等新型的高强耐热镁合金。随着Mg-RE合金的研究深入进行,很多研究者通过在合金中加入廉价的Zn来代替部分稀土,也获得了相近的力学性能。并且还发现加入少量的Zn,不仅可以调控Mg-RE系合金的时效析出组织;而且在适当的加入量和工艺条件下,Mg-RE-Zn系合金还产生了除沉淀相以外的新相或结构,即长周期有序结构(Long Period Stacking Ordered Structure,简称LPSO)。该结构使Mg-RE系合金表现出优异的室温和高温屈服强度、好的延伸率和高的应变速率超塑性。 根据前期Mg-Gd-Y-Zr合金在高强耐热方面取得的实验结果,本文考虑在该合金体系的基础上,通过加入不同含量的Y元素(5-14wt.%)和不同含量的Zn元素(0.5-3wt.%)来研究它的微观组织和力学行为的关系,并在此基础上重点研究了Mg-10Y-5Gd-2Zn合金的热处理工艺、力学性能和高温蠕变行为。 本文以Mg-(5-14)Y-5Gd-(0-3)Zn-0.5Zr合金为研究对象,采用电感耦合等离子直读光谱仪(ICP)、光学显微镜(OM)、差示扫描量热仪(DSC)、差热分析(DTA)、X射线衍射仪(XRD)、带能谱分析(EDAX)的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析手段,通过硬度、室温和高温拉伸及拉伸蠕变性能等,系统地研究了不同Y含量、Zn含量和热处理工艺对Mg-(5-14)Y-5Gd-(0-3)Zn-0.5Zr合金的显微组织、力学性能和蠕变性能的影响;探讨了合金的强化机制,重点研究了时效析出相结构、长周期结构、形态、尺寸和分布的演变过程,为高性能稀土镁合金的进一步开发和应用提供理论和实践依据。研究结果如下: 1.通过研究不同Y含量的Mg-(5-14)Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金发现:当Y≥8wt.%时,晶界处开始出现黑色的条状Mg12ZnY共晶相,并且晶内开始产生精细的条纹状LPSO结构相。随着Y含量的增加,晶界上的Mg24(GdYZn)5共晶相、黑色的Mg12ZnY相和晶内的精细条纹LPSO结构相都开始增多。铸态Mg-10Y-5Gd-0.5Zr合金主要由α-Mg过饱和固溶体、网状Mg24(GdY)5共晶相和花瓣状的Zr核组成。该合金加入不同含量的Zn后,组织发生了明显变化。晶内出现了层片状的精细条纹,随着Zn含量的增加,晶界上大块条状的Mg12ZnY相的数量也增加。铸态Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金主要由α-Mg过饱和固溶体,Mg24(GdYZn)5网状共晶相, Mg12YZn大块条状共晶相和晶内的层片状精细条纹相组成。晶内的层片状精细条纹是6H′(ABCBCB′)类型的LPSO结构;为畸变的6H类型,其a轴和c轴夹角为88°。 2.通过研究Mg-10Y-5Gd-0.5Zr合金在500-550℃和0-48h固溶过程中组织演变规律,优化出了535℃×16h的最优固溶工艺。在该工艺条件下,Mg24(GdY)5共晶相完全溶入了α-Mg基体,且晶粒没有明显长大。参考不同温度固溶处理的力学性能,优化出Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的最佳固溶工艺也为535℃×16h;而且还发现该合金在535-545℃固溶过程中,晶界的Mg24(GdYZn)5相全部溶入了基体,但是在晶界上依然残留着Mg12ZnY相。 3.研究发现Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金峰值硬度随着时效温度的上升而下降,过时效硬度下降幅度随着时效温度提高而加大。根据微观组织和力学性能的变化,优化出225℃×24h为合金最佳时效工艺。拉伸实验温度从室温升高到250℃的过程中,铸造T6态Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的抗拉强度只发生了微弱的降低,而当温度高于250℃时,合金的抗拉强度急剧下降,延伸率大幅度提高。铸造T6态Mg-10Y-5Gd-xZn-0.5Zr合金的常温和高温抗拉强度都明显高于WE54合金,高温抗拉强度尤其明显,其中Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在250℃和300℃的抗拉强度分别为326MPa和261MPa,远远高于同状态下的WE54合金。 4.研究还发现Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在225℃时效24小时后,晶内析出β′相,该相具有底心正交晶体结构(a=0.640nm, b=2.223nm, c=0.521nm),与镁基体的取向关系为:(100)β′∥(2110)a, (001)β′∥(0001)a, [010]β′∥[1010]a。峰值时效时椭球形β′相是主要的强化相,对合金的强度贡献最大。此外,晶界上还残存着大量块状Mg12ZnY相,该相经过时效处理后结构没有明显变化;晶内仍然有6H’的LPSO结构相。 5.通过对Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在温度(200-300℃)和应力(30-120MPa)条件下的高温蠕变测试发现,该合金在应力低于80MPa,温度低于250℃的范围内,蠕变性能随温度的升高下降幅度较少,合金的蠕变性能很好;当温度高于300℃而应力也高于80MPa时,合金的蠕变性能急剧变坏。对于铸造T6态Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金比较适宜的使用温度不超过300℃,应力不超过80MPa。Y含量在10-12wt.%的合金具有最佳的抗蠕变性能。 6.研究还发现,Zn元素可以显著提高Mg-10Y-5Gd-0.5Zr合金的高温蠕变性能。在300℃/50MPa条件下,铸造T6态Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr的蠕变性能最好,稳态蠕变速率ε? min为6.60×10-8s-1,100小时的蠕变应变总量ε100仅为1.76%。合金在250℃和300℃指定应力范围的应力指数分别为2.3和5.1,在指定应力30MPa和50MPa下的表观激活能为分别为191.9KJ/mol和216.4KJ/mol。 7.研究发现,铸态Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金经过300℃/50MPa蠕变至稳态阶段(100h),晶内的LPSO结构相明显增多;而且在晶内和晶界还析出了一定量的粗大的平衡β相。晶界上依然存留着Mg12ZnY相。 8.Mg-Y-Gd-Zr合金中加入一定量的Zn后,产生LPSO结构相,对于位错运动起了很大的阻碍作用。在高温蠕变过程中,开动非基面位错。LPSO结构相在位错的作用下内部发生了严重的晶格畸变,产生弯曲变形,这样的扭曲严重了阻碍了位错的运动,从而使合金的蠕变性能提高。 9.铸造T6态Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在300℃/50MPa蠕变至稳态阶段(100h),晶内和晶界处析出了一定量的粗大的β相。β析出相与基体界面产生大量错配位错,阻碍了位错运动。在孪晶界和LPSO结构交互作用的位置可以看到,LPSO结构发生了偏转,形成了一定的角度。经测量,该角度约为4.1°。 10.Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金的高温蠕变变形机制为位错滑移和晶界滑移。晶界上的Mg12ZnY相也起到了钉扎晶界的作用。LPSO结构相和析出相的复合强化阻碍位错运动,提高了合金的蠕变抗力。