Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金長周期結(jié)構(gòu)形成機(jī)制與組織性能研究.pdf

1、稀土鎂合金因其優(yōu)異的室溫及高溫力學(xué)性能而具有廣闊的發(fā)展前景，隨著不斷深入的研究和開發(fā)，目前已經(jīng)初步應(yīng)用于汽車、國防等工業(yè)領(lǐng)域中。在Mg-RE合金中加入廉價的Zn不僅可以調(diào)控合金的時效析出組織，而且在適當(dāng)條件下，Mg-RE-Zn系合金還會產(chǎn)生除沉淀相以外的新結(jié)構(gòu)—長周期有序結(jié)構(gòu)（Long Period Sacking OrderedStructure，簡稱LPSO結(jié)構(gòu)）。LPSO結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使Mg-RE-Zn系合金表現(xiàn)出更為優(yōu)異的力學(xué)性能，

2、尤其是在強(qiáng)度提升的同時可以保證合金具備較高的塑韌性。但目前國內(nèi)外關(guān)于含LPSO結(jié)構(gòu)的多稀土組元Mg-RE1-RE2-Zn合金系的研究尚處于初始階段，對于不同合金系中LPSO結(jié)構(gòu)的形成條件、形成機(jī)理和工藝手段的研究還不夠成熟和完善，尤其對合金中LPSO結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量的控制尚未有系統(tǒng)的研究。根據(jù)目前已有的關(guān)于Mg-Gd-Zn和Mg-Y-Zn兩個合金系中LPSO結(jié)構(gòu)的研究成果，本論文在此基礎(chǔ)上利用金相顯微鏡(MEF-4A)、X射線衍射儀(X

3、RD-6000)、掃描電鏡(JSM-5600LV)、電子探針(EPMA-1600)、透射電鏡(TG220S-Twin JEM-100CXⅡ)、維氏硬度儀(HXD-1000)和電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)(WD-10A)，對Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中LPSO結(jié)構(gòu)相的形成規(guī)律及其組織形態(tài)控制方法與機(jī)理進(jìn)行了重點(diǎn)研究，同時研究了含LPSO結(jié)構(gòu)相Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的軋制變形特點(diǎn)。主要研究內(nèi)容包括：
　　⑴在Mg-Gd-Y-Zn-Z

4、r合金中，利用Y/Zn質(zhì)量比可以控制晶界LPSO結(jié)構(gòu)相的形成。當(dāng)該比值在2.3及以下時，晶界第二相全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蠰PSO結(jié)構(gòu)的Mg10(Y，Gd)Zn相;比值在4.5及以上時，Mg10(Y，Gd)Zn相則無法形成。同時，Y/Zn質(zhì)量比同樣能夠顯著影響熱處理過程中LPSO結(jié)構(gòu)相的形成與轉(zhuǎn)變，從而起到控制合金組織的目的。當(dāng)合金稀土成分較高時，隨著該比值的升高，LPSO結(jié)構(gòu)相可以得到顯著的細(xì)化，提高合金的組織均勻性。
　?、仆ㄟ^調(diào)節(jié)合金

5、成分與Y/Zn質(zhì)量比，設(shè)計制備了Mg-5Gd-2Y-2Zn-0.5Zr和Mg-6Gd-3Y-2Zn-0.5Zr兩種新型低稀土鎂合金。其中，完全由具有LPSO結(jié)構(gòu)的Mg10(Y，Gd)Zn相作為晶界第二相的Mg-5Gd-2Y-2Zn-0.5Zr合金獲得了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。晶界處的LSPO結(jié)構(gòu)相可以有效地阻礙晶界滑移，從而保證了合金的室溫和高溫強(qiáng)度。合金在200-275℃范圍內(nèi)可保持與室溫下相近的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并同時具有良好的伸長率

6、。其在250℃時的抗拉強(qiáng)度為240MPa，比同等稀土含量的WE43合金提高了近30MPa。
　?、窃谀桃约肮倘芴幚磉^程中，稀土元素Y和Nd對LPSO結(jié)構(gòu)相形成和轉(zhuǎn)變的有序化過程分別具有促進(jìn)和阻礙作用，其具體轉(zhuǎn)換關(guān)系可用如下可逆反應(yīng)式表示:Mg5(Gd，Zn)Y(→)Mg10(Y，Gd)ZnNd(→)Mg5(Gd，Y，Zn)。通過對Y和Nd成分的調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對晶界LPSO結(jié)構(gòu)相數(shù)量及尺寸的有效控制。
　?、仍诠倘芴幚磉^程中

7、，合金中溶質(zhì)原子會因擴(kuò)散速率的變化導(dǎo)致實(shí)際濃度的變化，進(jìn)而影響晶內(nèi)LPSO結(jié)構(gòu)的形成與生長。通過合理改變熱處理制度來控制溶質(zhì)擴(kuò)散速率，不僅能夠顯著地影響晶界LPSO結(jié)構(gòu)相的形成與分解，還可以有效地對晶內(nèi)LPSO結(jié)構(gòu)的形成位置、數(shù)量與形態(tài)進(jìn)行調(diào)控。針對鑄態(tài)下即形成的晶界LPSO結(jié)構(gòu)相，可以通過控制熱處理溫度與時間來調(diào)節(jié)晶內(nèi)溶質(zhì)原子的固溶程度，但要避免LPSO結(jié)構(gòu)相在分解中出現(xiàn)過渡相;對于晶內(nèi)新形成的LPSO結(jié)構(gòu)，要根據(jù)合金成分、鑄態(tài)下晶界

8、第二相類型、數(shù)量等條件確定晶內(nèi)溶質(zhì)濃度與擴(kuò)散速率之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而達(dá)到對其形成位置、數(shù)量與形態(tài)進(jìn)行調(diào)控的目的。
　　⑸研究了含LPSO結(jié)構(gòu)相Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的軋制工藝，結(jié)果表明:軋制溫度為400℃時，三種合金板材在軋制過程中都容易產(chǎn)生斜向45°方向剪切裂紋;隨著軋制溫度的升高，板材的裂紋明顯減少。Mg-5Gd-2Y-2Zn-0.5Zr和Mg-6Gd-3Y-2Zn-0.5Zr合金在450℃下進(jìn)行軋制時已經(jīng)能夠保證板材