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Mg-xGd-Zr合金扩散及均匀化研究

郑伟文  
【摘要】:本文利用夹具法制备Mg-Gd二元扩散偶,通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)等手段,研究了Mg-Gd二元系在450℃-550℃之间的反应扩散现象,分析了其扩散热力学和动力学,为开发新型的Mg-Gd系合金提供实验数据,同时指导制定合金合理的热处理制度;此外,本文以Mg-xGd-Zr(x=1、2、3at%)合金为基础,利用OM、SEM、物相分析(XRD)和透射电镜(TEM)等分析检测手段,研究了合金在不同气体环境中热处理过程的微观组织形貌变化,分析了合金中方块相的成分和结构,并对其形成原因做出解释,进而为指导优化稀土镁合金的制备加工过程提供实验基础。在Mg-Gd二元扩散偶实验中发现,扩散偶在450℃-550℃之间保温不同时间后,在Mg/Gd母相间都生成了4层明显的扩散层,从Mg到Gd侧,依次为Mg5Gd、 Mg3Gd、Mg2Gd和MgGd。当热处理时间一定时,随着温度的升高各扩散层的厚度都明显增长;当温度一定时,其厚度随着保温时间的延长而增加,可用公式1=ktn进行描述。当热处理温度为450℃-500℃时n接近0.5,表明在该温度范围内扩散层的生长主要是由晶界扩散所控制;当温度接近550℃时,n0.5,这主要是由于扩散层中的晶粒发生了一定程度的长大。通过高斯解求得纯Gd向Mg扩散的频率因子和激活能分别为D0=1.49×10-9m2/s, Q=65.39kJ/mol。在Mg-xGd-Zr(x=1、2、3at%)合金的均匀化热处理实验中发现,1#合金在520℃×6h,2#合金在520℃x8h,3#合金在520℃×12h时的均匀化效果较为理想。然而合金中的方块相具有极高的热稳定性,在均匀化过程中不发生变化,其结构为FCC,晶格常数a=0.53nm,Gd含量为41.3at%~89.0at%,不属于Mg-Gd平衡相图中的任何一种相。合金经过淬火后再热处理,其表层(0-2mm)生成了大量的方块相沿晶界分布,而其内部(2mm以下)组织没有明显变化,其形成原因可能是由于淬火在合金表层形成了淬火应力,在后续的热处理过程中促进了合金表层方块相的形成。这表明方块相不仅在熔炼及凝固过程中形成,也能在后期热处理过程中生成。通过对比合金不同气体环境(纯H2、纯Ar、纯O2和大气)下热处理后的组织形貌发现,方块相的成分与合金热处理过程中所处的气体环境密切相关,其既可以是GdH2也可以是Gd203,但其晶体结构都为FCC,晶格常数a=0.53nm。大气环境中形成的方块相主要为Gd203,少量形成于合金的熔炼及凝固过程,大部分由合金在大气环境下热处理过程中在表面形成。在热处理过程中,方块相主要是在共晶组织分解阶段由共晶组织中的稀土氧化形成,而当共晶组织完全分解后其形成速度明显减小。应力应变能促进合金表层RE元素向晶界处偏聚进而氧化形成方块相,同时提高热处理温度,也会促进合金表层共晶组织分解氧化形成方块相。


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1 赵旭;Mg-xGd-Zr合金的制备工艺与组织研究[D];北京有色金属研究总院;2015年
2 郑伟文;Mg-xGd-Zr合金扩散及均匀化研究[D];北京有色金属研究总院;2015年
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