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自生准晶增强Mg-Zn-Gd基合金组织和力学行为的研究

刘勇  
【摘要】: 镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料,在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景,被誉为“21世纪绿色工程材料”。本文基于一种新的成分设计思想:利用非晶组分进行自生准晶增强镁合金的设计和制备,通过引入新的增强相,即二十面体准晶,进行新型自生准晶增强镁合金的开发和研究。 论文选取了Mg-Zn-Gd合金系,并成功制备出自生准晶增强镁合金。利用金相显微镜、扫描电子显微镜,X射线衍射仪,差热分析仪和透射电子显微镜等分析手段,研究了合金成分对准晶相形成的影响规律,确定了准晶相(I-phase)形成的合金成分范围。在此基础上,研究了不同准晶含量对Mg-Zn-Gd系合金铸态组织和力学性能的影响规律;通过引入MgZnCu Laves相,研究了该相和准晶相复合增强对Mg-Zn-Gd系合金组织和力学性能的影响。研究了T4和T6热处理工艺对Mg-Zn-Gd合金组织和力学性能的影响,最终获得了两种综合性能较好的合金成分及其相应的热处理工艺。研究了不同凝固条件对准晶相形成和合金力学性能的影响规律。通过热挤压,进一步研究了变形工艺对准晶增强镁合金组织和力学性能的影响,分析了准晶相和Laves相对挤压态Mg-Zn-Gd系合金强化机制和变形机制的影响。主要结论如下: 1.通过研究Zn/Gd比和Zn、Gd含量对Mg-Zn-Gd系合金准晶相形成的影响规律,获得了富镁区Mg-Zn-Gd合金的准晶相的形成范围及其相组成。在普通凝固条件下,富镁区Mg-Zn-Gd合金可以获得五个相区:(Ⅰ)α-Mg+W-phase;(Ⅱ)α-Mg+W-phase +I-phase;(Ⅲ)α-Mg+I-phase;(Ⅳ)α-Mg+ I-phase +Crystal;(Ⅴ)α-Mg+Crystal(Crystal代表Mg-Zn、Mg-Gd和MgZnGd相)。Mg-Zn-Gd合金在铸态下形成的准晶相成分为Mg:30±1at.%,Zn:62at.%,Gd:8±1at.%。该相具有很高的热稳定性,属于F-type面心立方二十面体准晶,平均价电子浓度为2.08,符合Hume-Rothery准则。 2. Mg-Zn-Gd铸态合金中准晶相呈骨骼状分布在基体中,是一种典型的树枝状结构。当准晶的体积分数为8.6%时,Mg-3.5Zn-0.6Gd(at.%)合金表现出更高的抗拉强度和延伸率。添加Cu元素后,Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu(at.%)合金形成了α-Mg、I-phase和MgZnCu Laves相三相组织。MgZnCu Laves相的存在,显著提高了合金的耐热性能。当Cu含量为1.5at.%时,合金的力学性能较高,室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为176MPa、106MPa和6.5%,高温(200℃)抗拉强度和延伸率分别为130MPa和18.5%。在200℃、50MPa条件下,Mg-3.5Zn-0.6Gd和Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金的拉伸蠕变总应变量和稳态蠕变速率分别为0.294%、4.72×10-9和0.084%、1.9×10-9,均超过商用耐热镁合金AE42(目前评价镁合金耐热性能的基准合金)一个数量级。 3.获得了Mg-Zn-Gd合金最佳的T6热处理工艺:440℃保温8h水冷,200℃保温24h空冷。T6热处理工艺使Mg-3.5Zn-0.6Gd合金的屈服强度提高28.6%。然而,由于准晶相和MgZnCu Laves相高的热稳定性使得热处理对第二相分解和合金元素的固溶影响不明显,因此热处理对准晶增强Mg-Zn-Gd基合金力学性能的改善作用非常有限。 4.冷却速度对Mg-Zn-Gd系合金的准晶形成具有重要的影响,并且存在一个形成准晶的最佳冷却速度。Mg-3.5Zn-0.6Gd和Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金在快速凝固铜模喷铸试样直径为Φ5mm圆棒条件下,冷却速度约为70K/s,最有利于准晶的形核和长大,合金具有最强的准晶形成能力,组织中的准晶体积分数最高。当冷却速度低于70K/s时,冷却速度的提高促进准晶相的形核和长大,因而增加合金中准晶相的体积分数。当冷却速度大于70K/s时,冷却速度的提高抑制准晶的形核和长大,合金中准晶相的体积分数减少。 5.冷却速度从4.8K/s提高到18.5K/s时,Mg-3.5Zn-0.6Gd合金的强度得以改善的原因包括两方面:一是冷却速度的提高带来的细晶强化作用;二是冷却速度的提高促进了准晶相的形成,提高了准晶增强效果。而对于准晶含量较少的Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金,冷却速度对准晶含量的影响不明显,合金的强度改善主要是由于细晶强化的作用。 6. Mg-3.5Zn-0.6Gd和Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu两种合金经过挤压后,准晶相和Laves相被破碎。合金在挤压过程中形成了弥散分布的100~200nm大小的纳米准晶颗粒,其成分为Mg42Zn50Gd8(at.%),具有面心立方二十面体结构。 7. Mg-3.5Zn-0.6Gd合金的力学性能对挤压温度较为敏感。在573K挤压时,合金的力学性能比在673K挤压时更高,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高了3%、7.5%和13.7%。准晶相和Laves相的组合使得Mg-3.5Zn-0.6Gd -1.5Cu具有更强的热稳定性,Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金的力学性能受挤压温度的影响较小,在573K和673K两种挤压温度条件下,合金的力学性能没有明显差异。 8.高准晶含量的Mg-3.5Zn-0.6Gd合金在200℃的高温变形性能明显优于Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金。准晶相和Laves相的复合增强作用使得Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金比Mg-3.5Zn-0.6Gd合金具有更高的高温强度。Mg-3.5Zn-0.6Gd合金在673K挤压比573K挤压具有更好的高温变形能力,200℃下拉伸的延伸率为94%。该合金良好的变形能力可归因于两方面:一、准晶与基体具有良好的界面结合,在变形过程中,具有较强的协调变形作用。二、含准晶合金变形后的织构呈现出一种更为均匀的随机分布的形态。这种更为均匀的随机分布的织构形态大大改善了合金的塑性。 9.高温变形行为研究表明,准晶增强Mg-3.5Zn-0.6Gd合金具有很高的变形应变量、更小的应变硬化指数。而准晶与Laves相复合增强的Mg-3.5Zn-0.6Gd -1.5Cu合金表现出更高的高温强度和应变硬化指数以及更加稳定的组织(晶粒长大速率更小)。 本研究为变形镁合金的开发提供了一种新的成分设计和合金强化的思路:通过调整合金的成分和制备工艺,可以改变合金内部准晶相和Laves相的总含量及两者之间的比率,从而获得具有不同变形能力和力学性能的变形镁合金,满足不同的性能需求。


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