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细晶Mg-Zn-Y合金的制备、组织、性能及强化机理

徐春杰  
【摘要】: 镁合金具有良好的生物兼容性、最高的比强度和比刚度、优异的工艺性能、较好的耐腐蚀性能、良好的导热、减振及电磁屏蔽性以及原材料丰富、切削加工简单和回收容易等优点。镁合金被认为是制备电器产品壳体、运输工具和航天飞行器零部件最具前途的结构材料。然而,镁合金的强度、塑性和韧性有待进一步提高。快速凝固(RS)技术可有效地细化合金晶粒、减少偏析,从而有望大幅度提高镁合金的力学性能。往复挤压(RE)是一种等体积大塑性变形技术,可以在不改变原始形状下,制备细晶材料。 本文以Mg-Zn-Y合金为研究对象,采用普通凝固(CT)、单辊RS和REI艺,对比研究了该合金的组织与性能。研究了RE制备超细组织、高强高韧镁合金的强化机理及快速凝固薄带的焊合机制。研究包括的主要内容和获得的主要结论有: 基于RS原理完善了KND-Ⅱ型单辊快速凝固中试系统,在冷却速度介于1.14×10~6 K·s~(-1)~4.12×10~7K·s~(-1)条件下,制备的RS-Mg-Zn-Y合金薄带组织由过饱和α-Mg固溶体和少量在α-Mg晶粒间分布的Z相及其它金属间化合物构成,薄带组织存在微弱的微观偏析。薄带晶粒尺寸小于5μm。 研制了可在普通立式压力机上实现多道次RE装置,并采用该装置对CT及RS状态下的Mg-Zn-Y合金进行了RE。RE可促使RE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y合金基体通过破碎和反复动态再结晶细化;晶界网状化合物通过破碎细化,并随材料的流动而发生位置迁移,最终均匀分布在基体上。提高RE道次,组织变得更均匀。RE是一种提高RE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y镁合金强度和塑性的有效方法。 RE过程中,每一道次的名义应变速率是0.1503s~(-1)。温度介于300℃~350℃范围RE可以使材料内积累较高的真应变,有利于获得大的Zener-Hollomon参数Z~*值,促进原子扩散及析出相形核和长大;在获得高致密、高机械性能的同时,有利于RS薄带的焊合。 RE后,RE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y合金强化相颗粒由三部分组成:第一类是原薄带晶粒内部凝固时的强化相,为~100nm。RE使第一类强化相在组织中分布更均匀,但大小基本不变;第二类是原薄带晶粒界面上的网状化合物经RE破碎形成的不规则颗粒,尺寸为~0.5μm;第三类为RE过程脱溶形成的沉淀相,尺寸一般为70nm左右,弥散分布于α-Mg基体中。RE后RE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y合金获得了较高的拉伸强度(RE-n-EX-RS-B1和RE-n-EX-RS-B2合金的拉伸强度大于400MPa)、屈强比(大于0.8,其中RE-n-EX-RS66合金接近1)和伸长率(RE-n-EX-RS66合金的伸长率大于20%)。往复挤压获得高强韧快速凝固Mg-Zn-Y合金的强化机制包括细晶强化、固溶强化、位错强化、沉淀析出和弥散分布强化以及位错间的摩擦阻力强化机制。其中,细晶强化和Orowan强化机制是主要的强化机制。 在100~150℃温度范围,Mg-Zn-Y合金热(线)膨胀系数与制备工艺有关,材料的膨胀系数由大到小顺序为:α_tCT-Mg-Zn-Y>α_tRE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y>α_tRE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y。RE结合RS可以获得低膨胀系数的Mg-Zn-Y合金。


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