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高强度Mg-Y-Zn镁合金的研究

陈彬  
【摘要】: 镁合金具有比重轻、比强度、比刚度高、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点,在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有及其重要的应用价值和广阔的应用前景。但在镁合金研究与应用中存在强度低的基础性问题,制约着高性能镁合金材料的开发与应用。本文研究了合金元素Y、Zn和Zr对Mg-Y-Zn合金组织、性能的影响;分析了凝固过程的冷却速度、固溶温度、固溶后的冷却方式、挤压温度、二次挤压温度等不同工艺对Mg_(97)Y_2Zn_1合金组织性能的影响;并以等通道角挤压法加工制取了高强度Mg-Y-Zn合金;利用热模拟技术研究了Mg_(97)Y_2Zn_1镁合金的中高温变形行为;研究了长周期有序结构对Mg-Y-Zn合金的强化作用。 研究发现,Y、Zn和Zr合金元素对Mg-Y-Zn合金组织、性能有很大的影响。Mg_(98)Y_1Zn_1、Mg_(97)Y_2Zn_1、Mg_(96)Y_3Zn_1、Mg_(95.5)Y_3Zn_(1.5)、Mg_(94)Y_4Zn_2合金铸态组织都呈现典型的树枝晶结构,Y元素含量或Y和Zn元素总量越高,树枝晶越细,第二相数量增加。XRD分析表明,Mg_(98)Y_1Zn_1合金含有W-Mg_3Zn_3Y_2相和X-Mg12ZnY相,而Mg_(97)Y_2Zn_1、Mg_(96)Y_3Zn_1、Mg_(95.5)Y_3Zn_(1.5)、Mg_(94)Y_4Zn_2则只含有X-Mg12ZnY相。Mg_(97)Y_2Zn_1、Mg_(96)Y_3Zn_1、Mg_(95.5)Y_3Zn_(1.5)合金在400℃经过挤压后,在原始晶界和第二相附近发生了部分再结晶,三种合金在室温和高温都具有较高的强度。Zr元素的加入,不影响合金的相组成,却大大细化了Mg_(97)Y_2Zn_1合金的组织,也提高了合金的力学性能。 本文研究了凝固过程的冷却速度、固溶温度、固溶后的冷却方式、挤压温度、二次挤压温度等不同工艺对Mg_(97)Y_2Zn_1合金组织、性能的影响。冷却速度越快,树枝晶越精细,力学性能越好。对Mg_(97)Y_2Zn_1合金进行不同温度的固溶处理,发现只有在高于X相熔点温度的固溶处理对组织有较大影响。415℃固溶的Mg_(97)Y_2Zn_1合金在400℃进行挤压后发生完全再结晶,而560℃固溶的合金在400℃进行挤压后只发生部分再结晶。挤压前经过560℃固溶处理合金在挤压和等通道角挤压后的强度都要高于415℃固溶处理过的合金,但延伸率要低于415℃固溶处理过的合金。对Mg_(97)Y_2Zn_1合金在不同温度下进行一次挤压和二次挤压研究发现,在较低温度下挤压后获得较细的组织,随着挤压温度提高,晶粒尺寸逐渐增大,强度下降,而延伸率上升。一次挤压得到的合金只发生部分再结晶,而二次挤压得到的合金发生完全再结晶,但在相同温度下,两者的晶粒尺寸相近。 对Mg-Y-Zn合金进行等通道角挤压实验发现,随着等通道角挤压道次数的增加,第二相被逐渐细化,挤压态已发生再结晶区域的晶粒尺寸被进一步细化,而未发生再结晶的区域却仍然没有发生再结晶,只是沿着剪切方向形成一些剪切带。随着等通道角挤压道次数的增加,已再结晶区向未再结晶区域逐渐发展。经过一道次的等通道角挤压后,就有大量的超细晶粒形成。在随后道次的挤压过程中,晶粒虽然有所细化,但细化效果远不如第一道次挤压明显。经过等通道角挤压后的Mg-Y-Zn合金的晶粒尺寸要远远小于其它镁合金,其超细晶的形成和Mg-Y-Zn合金含有大量的X相和长周期有序结构有关。Mg_(97)Y_2Zn_1合金的晶粒尺寸被细化到200-500nm,Mg_(95.5)Y_3Zn_(1.5)合金的晶粒尺寸被细化到约200nm。经过等通道角挤压后,Mg-Y-Zn合金的强度得到了提高,Mg_(97)Y_2Zn_1合金的最高屈服强度和抗拉强度分别达到406.2MPa和455.2MPa,Mg_(95.5)Y_3Zn_(1.5)合金的最高屈服强度和抗拉强度分别达到444.6MPa和472.7MPa。由于等通道角挤压的剪切力会使X相内部产生微裂纹,因此材料的延伸率随着道次数的增加而降低。 利用Gleeble热模拟试验机对Mg_(97)Y_2Zn_1镁合金进行了高温压缩实验研究,在同一应变速率下,随变形温度的升高,Mg_(97)Y_2Zn_1镁合金的流动应力水平逐渐下降;在同一变形温度下,随应变速率增加,Mg_(97)Y_2Zn_1镁合金的流动应力水平逐渐升高。Mg_(97)Y_2Zn_1具有较大的应力指数值。 研究发现,在Mg-Y-Zn合金进行变形时,位错会在X相、长周期有序结构和基体的界面上塞积,基面滑移受到了抑制。长周期有序结构可以和孪晶发生交互作用,使孪晶界在长周期有序结构区域发生偏离。由于Mg-Y-Zn合金的Y、Zn元素含量高,层错能低,在变形过程中容易形成层错,位错容易在层错区域塞积。而位错的滑移运动也可以使层错产生扭曲和变形。长周期结构和位错的交互作用对Mg-Y-Zn合金的强化产生影响。


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