高性能Mg-RE-TM系鎂合金中LPSO相和沉淀硬化相的復(fù)合強(qiáng)韌化研究.pdf

1、輕質(zhì)高強(qiáng)韌鎂合金是航空航天、國(guó)防軍工及現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中緊迫的輕量化材料需求之一，對(duì)緩解我國(guó)資源短缺、能源危機(jī)和環(huán)境污染的意義重大。含長(zhǎng)周期堆垛有序相（LPSO相）和沉淀硬化相的Mg-RE-TM是目前性能最好的高強(qiáng)鎂合金體系，其強(qiáng)度在500MPa以上，已基本達(dá)到商用高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度，但延伸率卻普遍偏低（通常在5％以下），無(wú)法滿(mǎn)足作為關(guān)鍵承力構(gòu)件的工程應(yīng)用。如何利用有效的強(qiáng)韌化途徑，解決高強(qiáng)鎂合金強(qiáng)度塑性不可兼得的矛盾，已成為一個(gè)亟待解決的科

2、學(xué)難題。如要設(shè)計(jì)出高強(qiáng)高韌Mg-RE-TM鎂合金，則必須澄清該合金的強(qiáng)韌化機(jī)制，掌握強(qiáng)度塑性的變化規(guī)律，為最終的合金設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　針對(duì)這一現(xiàn)狀，作者將合金中的起主要強(qiáng)化作用的第二相（LPSO相和沉淀硬化相）完全獨(dú)立出來(lái)，設(shè)計(jì)出只含 LPSO相和只含沉淀硬化相的合金，然后綜合考慮這兩種相的影響，設(shè)計(jì)出含 LPSO相和沉淀相的多相復(fù)合合金，最終揭示合金的強(qiáng)韌化機(jī)制。
　　本文首先研究了Mg-RE單一沉淀硬化相鎂合

3、金的強(qiáng)韌化規(guī)律。結(jié)果表明，在可形成沉淀硬化相的不同RE元素里，Gd和Y元素的時(shí)效效果較好，Y含量在RE總量2.0at.%以上才有時(shí)效效果，而Gd含量在1.6at.%以上則有時(shí)效效果。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的Mg-1.2at.%Gd-1.0at.%Y，抗拉強(qiáng)度400MPa，延伸率超過(guò)9%，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。
　　然后，研究了Mg-RE-TM單一LPSO相鎂合金的強(qiáng)韌化規(guī)律。通過(guò)Zn/Y比設(shè)計(jì)得出該值3/4時(shí)合金力學(xué)性能最為優(yōu)異。在保證 Z

4、n/RE不變的基礎(chǔ)上，從鑄態(tài)下形成 LPSO相和通過(guò)熱處理才能形成 LPSO相的兩類(lèi)合金進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Mg-Ni-Y鎂合金具有最高的抗拉強(qiáng)度，Mg-Zn-Y合金塑性較為優(yōu)異且綜合性能較好。而鑄態(tài)下無(wú)LPSO相的Mg-Gd-Zn合金，經(jīng)固溶退火工藝處理后，可以在合金中析出大量的層狀結(jié)構(gòu)14H型LPSO相，其強(qiáng)度較低，塑性較好。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的Mg-Gd-Y-Zn合金力學(xué)性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度達(dá)到370MPa，延伸率7%。
　　在綜

5、合LPSO相和沉淀相強(qiáng)化效果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了Mg-Gd-Y-Zn合金，并進(jìn)行Mn微合金化及控制Zn含量，采用固溶退火、擠壓和時(shí)效工藝后合金強(qiáng)度達(dá)到493MPa，延伸率5.5%，綜合性能優(yōu)異。
　　隨后，研究了在LPSO相和沉淀相強(qiáng)化復(fù)合的合金中，改變LPSO相的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、分布對(duì)合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。采用 Ni替換，RE元素調(diào)控，熱處理調(diào)控，微合金化手段調(diào)控LPSO相種類(lèi)、含量、形態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)LPSO相呈層狀形貌時(shí)可顯

6、著提高合金的強(qiáng)度，而 LPSO相呈塊狀形貌則對(duì)提升合金的塑性有幫助，且層狀 LPSO相越致密越細(xì)小，合金的強(qiáng)度提升越明顯。在此基礎(chǔ)上采用感應(yīng)制得的 GWZM3合金經(jīng)540℃×4h爐冷退火后的擠壓態(tài)合金，其抗拉強(qiáng)度400MPa，延伸率12.6%，綜合性能優(yōu)異。
　　再次，研究了在LPSO相和沉淀相強(qiáng)化復(fù)合的合金中，沉淀析出行為對(duì)合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，Mg-RE-TM合金時(shí)效后，整體強(qiáng)度均有大幅提升，但塑性下降較為明顯。然而，

7、無(wú)論 LPSO相的形態(tài)結(jié)構(gòu)怎樣變化，合金的抗拉強(qiáng)度提升情況大致相同，但塑性變化情況則差異明顯。且部分合金在時(shí)效時(shí)出現(xiàn)了時(shí)效平臺(tái)現(xiàn)象，該現(xiàn)象使得合金在峰時(shí)效下塑性下降程度減小，即在一定程度上提高了合金的塑性。
　　最后，基于上述研究，結(jié)合時(shí)效過(guò)程中的時(shí)效平臺(tái)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)有時(shí)效平臺(tái)現(xiàn)象的 GWZM3合金，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，合金的強(qiáng)度塑性同時(shí)提高的現(xiàn)象，并獲得抗拉強(qiáng)度538MPa，延伸率10%的性能。在此基礎(chǔ)上，從LPSO相與沉淀相的復(fù)