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稀土镁合金组织和性能研究

徐永东  
【摘要】:基于对耐蚀、高强韧镁合金材料的需求,本文研究了Gd、Nd和Y等稀土元素对镁合金耐蚀性能和力学性能的影响规律,并具体结合两类不同的稀土镁合金,研究了铸造、热处理和热挤压变形等工艺对合金组织和性能的影响。 通过研究稀土元素对镁合金耐蚀性的影响机制发现:添加稀土元素后形成的第二相与镁基体的镁合金的电极电位差变小,导致微电偶腐蚀的驱动力相应减弱,微电偶腐蚀的极化电流变小,腐蚀速率降低;稀土元素可以通过改变金属表面氧化膜的结构提高致密度、细化晶粒、改变了镁合金中第二相的组成、形态和分布等,从而改善了镁合金耐腐蚀性。 稀土镁合金材料制备工艺过程中,保持成分均匀稳定、减少熔剂夹杂和熔体吹洗等途径有利于合金耐蚀性的改善;挤压铸造、金属型铸造和砂型铸造三种方法相比,挤压铸造制备的合金组织晶粒更细、力学性能和耐蚀性更好。 对两类不同稀土含量的镁合金的压缩应力应变行为的研究表明二者均是正应变速率敏感材料,合金热压缩塑性变形是受热激活控制的。 对Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金的研究表明,通过成分设计可以实现低稀土含量的镁合金具有良好的耐蚀性,铸态合金通过合理的热处理工艺可以实现强度和伸长率的综合优化;由于稀土含量不高,挤压变形后的合金经时效处理时析出强化效果有限,位错与稀土第二相的交互作用不明显。 高稀土含量的Mg-xGd-3Y-Zn-0.5Zr合金的铸态组织由α-Mg和β相(Mg_5Gd(Y,Zn))组成,且随着Gd含量的增加,晶粒尺寸呈细化趋势,晶界共晶相由连续网状分布转变为断续状弥散分布,且共晶相数量也相应增加。合金经固溶处理后,合金晶界β相(Mg_5Gd(Y,Zn)分解并生成成分有序和堆垛有序的块状、层片状的14H-LPSO结构相,这些LPSO相是由Mg、Zn、Gd和Y元素组成,而Zn是形成14H-LPSO的关键合金元素。合金时效峰值硬度随Gd含量的增加而增高,到达峰值硬度的时间随Gd含量的增加而缩短;随温度升高,峰值硬度降低,到达峰值硬度的时间缩短。8%wtGd的合金200℃时效析出弥散分布的β'相,而250℃时效未发现明显的弥散析出相。12wt%Gd的合金随时效温度的升高,峰值硬化组织时效析出β'相尺寸增大,数量减少;在200℃和225℃的时效硬化归因为高致密分布的β'相;在250℃的峰值硬化组织析出相是β'相和β1,后随时间延长β'相逐渐向β1转变。 对铸造Mg-xGd-3Y-Zn-0.5Zr合金的力学性能研究发现,常温抗拉强度接近,伸长率对Gd含量增加而降低。Gd含量不低于10wt%的合金的抗拉强度在室温~200℃呈增加趋势并在200℃附近达到最大,随后逐渐下降。对合金失效断口分析发现,合金在室温的断裂主要是解理断裂且随Gd含量的增加脆性增加,高温断裂表现为准解理断裂。 Mg-xGd-3Y-Zn-0.5Zr合金经过挤压变形后晶粒显著细化,挤压合金时效强化效应显著,合金力学性能最高时强度和伸长率分别为492MPa和11%,具有良好的塑韧性。


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