Mg-Zn-RE准晶中间合金的制备及挤压铸造准晶增强镁基复合材料研究

【摘要】：镁合金作为实际应用中最轻的金属结构材料，在航空航天、电子通信以及汽车工业等领域具有广泛的应用前景，但是镁合金自身存在强度低、抗氧化性能差以及高温抗蠕变性能差等问题，限制了其作为某些结构件的应用。二十面体准晶相（I-phase）由于其特殊的结构而使其具有高热力学稳定性、高硬度、高强度等性能，它作为一种增强相可显著提高镁合金的力学性能，为镁合金强化提供了一种新途径。 本文首先采用常规铸造法制备了Mg-Zn-RE（Y、Nd）准晶中间合金，研究了合金元素含量和冷却速度对合金显微组织和力学性能的影响，分析了热处理过程中的组织变化规律以及准晶相的热稳定性，探讨了二十面体准晶相的形成机制和生长方式。其次，采用挤压铸造法制备了含I-phase的Mg-Zn-Nd合金，研究了挤压压力对合金显微组织和硬度的影响。最后，以AZ91D合金为基体，采用挤压铸造法制备了Mg-Zn-Y准晶增强的镁基复合材料，研究了挤压压力、浇注温度以及准晶中间合金含量对材料显微组织和力学性能的影响，并对强化机制进行了分析。 研究结果表明，常规铸造条件下，Zn、Y含量都会影响Mg-Zn-Y合金的显微组织，Y元素的影响比Zn元素显著。Mg-45Zn-xY合金主要由α-Mg相、I-phase和Mg7Zn3相组成，随着Y含量的增加，合金中形成了花瓣状准晶相，当Y含量达到10.0wt%时，准晶呈现为多边形状，且合金硬度达到最大值，为89.0HRB；当Zn含量为30.0wt%和40.0wt%时，Mg-xZn-2.5Y合金组织主要由α-Mg基体、MgZn枝晶以及层片状的（α-Mg+Mg7Zn3）共晶组织组成，Zn含量为45.0wt%和50.0wt%时，合金由Mg7Zn3基体、α-Mg枝晶以及（α-Mg+I-phase）共晶组织组成，且Mg-50Zn-2.5Y合金组织中出现了花瓣状准晶相，其硬度达到最大值，为84.5HRB；MgZn6xYx合金主要由α-Mg基体和晶界附近的（α-Mg+I-phase）共晶组织组成，Y含量增加时，共晶组织含量增加，尺寸增大，由不连续分布转变为连续分布，基体晶粒细化，当Y含量为2.0at%时，合金的硬度达到最大值，为54.0HRB；Mg95.1Zn4.2Y0.7合金经过400℃热处理12h后，晶内出现了大量弥散分布且高温稳定的准晶相。 冷却速度对Mg-45Zn-10.0Y合金组织有显著影响。冷却速度越大，准晶颗粒尺寸越小，采用1、2、3、4号模具得到的准晶尺寸分别为30μm、15μm、12.5μm和9μm；Mg-45Zn-10.0Y合金从表面到心部的显微组织表明，表面的准晶数量较多，尺寸较小，约为35μm，近似花瓣状，花瓣末端为平整的几何平面，心部组织中的准晶大多为多边形状，花瓣状准晶较少，此时花瓣状和多边形状准晶的尺寸分别为50μm和20μm。 常规铸造Mg-45Zn-xNd、Mg-50Zn-xNd合金的铸态显微组织主要由Mg7Zn3基体、黑色α-Mg枝晶、层片状（α-Mg+MgZn）组织、Mg40Zn55Nd5二十面体球状准晶相和杆状相组成，Nd、Zn元素含量会影响合金中三元相的形态；Mg-45Zn-1.5Nd合金的热处理研究表明，随着热处理时间的延长，组织均匀化程度提高，α-Mg枝晶不断溶解，层片状组织完全消失，高温稳定的球状准晶相含量增加，尺寸减小，合金的硬度和抗拉强度增大，330℃×6h处理后合金的硬度和抗拉强度分别为85.5HRB和168MPa，比铸态试样提高了6.2%和48.7%；挤压铸造Mg-45Zn-2.5Nd合金主要由Mg7Zn3基体、α-Mg枝晶、层片状（α-Mg+MgZn）组织、Mg40Zn55Nd5球状准晶相以及Mg36Zn60Nd4多边形相组成，当挤压压力为150MPa时，合金中生成了大量的球状准晶相，且硬度达到最大值，为85.2HRB。 研究结果表明，Mg-Zn-RE合金中的二十面体准晶相直接从液相中析出，其中Mg-Zn-Y合金中的准晶相主要呈现五朵花瓣状、六朵花瓣状和多边形块状形态，而Mg-Zn-Nd合金中的准晶相为球状。 挤压铸造法制备得到的Mg-Zn-Y准晶增强镁基复合材料的显微组织主要由α-Mg基体、晶界上分布的β-Mg17Al12相以及Mg3Zn6Y准晶颗粒组成。挤压压力增大，镁基复合材料的显微组织细化，α-Mg树枝晶向等轴晶转变，β-Mg17Al12相和Mg3Zn6Y准晶相含量增加；随着浇注温度的升高，晶界上的β-Mg17Al12组织细化，α-Mg有长大趋势；准晶中间合金含量也会影响镁基复合材料的显微组织，当Mg-Zn-Y准晶中间合金含量为5wt%时，组织细小均匀，部分β-Mg17Al12相断开，当准晶中间合金含量为3wt%、7wt%和10wt%时，组织不均匀程度增加，均出现了大小晶粒交错的双峰结构。研究得到的最佳准晶中间合金含量为5wt%、挤压压力为100MPa、浇注温度为700℃，此时抗拉强度和断后伸长率均达到最大值，分别为194.3MPa和9.2%。挤压铸造制备准晶增强镁基复合材料的强化机制为细晶强化和准晶颗粒强化。 本研究为镁基复合材料的开发提供了一种新的增强相和制备工艺：以二十面体准晶为增强相，采用挤压铸造法，优化准晶中间合金含量和挤压铸造工艺，制备出高性能的Mg-Zn-Y准晶增强镁基复合材料，对推动高强耐热镁基复合材料的快速发展和广泛应用具有重要的理论与实际意义。