快速凝固Mg-Zn系鎂合金的組織與性能研究.pdf

1、鎂合金具有密度低、高比強(qiáng)度、高比剛度、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽性優(yōu)異、對振動(dòng)及沖擊能量的吸收高等優(yōu)點(diǎn),是非常重要的輕量化結(jié)構(gòu)用綠色工程材料,在汽車、電子、航空航天等科技前沿領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中Mg-Zn合金是一種典型的沉淀強(qiáng)化合金,具有較高的室溫和中溫強(qiáng)度、良好塑性以及耐腐蝕性能。但該合金的凝固溫度區(qū)間大,鑄造及成型性能差,且晶粒細(xì)化困難,因而不能作為鑄件或鍛件材料,極大地限制了其工業(yè)應(yīng)用?？焖倌?Rapidlysolidifica

2、tion,簡稱RS)技術(shù)是制備高性能材料的有效方法之一,可以顯著細(xì)化合金的組織、減小成分偏析、擴(kuò)展合金元素在基體中的極限固溶度、形成亞穩(wěn)相。采用該方法制備的Mg-Zn合金有望解決上述問題。本論文擬采用RS技術(shù)和合金化技術(shù)相結(jié)合,在細(xì)化晶粒的同時(shí),通過添加合金化元素,使合金中均勻分布著細(xì)小、彌散的、熱穩(wěn)定的沉淀相,從而進(jìn)一步改善合金的高溫性能。
　　 本文采用霧化-雙輥急冷法,以Mg-6Zn(wt.％)合金為基體,通過Ca、RE(

3、Ce和La)合金化及復(fù)合合金化技術(shù),制備出了RS Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Ce和Mg-Zn-Ca-RE合金薄片及片狀粉末,系統(tǒng)地研究了Ca、RE合金化以及復(fù)合合金化對RS Mg-Zn合金薄片的微觀組織、物相種類、熱穩(wěn)定性和等時(shí)時(shí)效硬化行為的影響。在此基礎(chǔ)上,通過熱擠壓工藝制備了快速凝固/粉末冶金(Rapidlysolidification/Powdermetallurgy,簡稱RS/PM)Mg-Zn系鎂合金棒材,分為兩個(gè)系列合金:

4、(1)RS/PMMg-Zn-Ca系合金,主要包括Mg-6Zn-5Ca和Mg-6Zn-5Ca-RE(3Ce和0.5La)合金;(2)RS/PMMg-Zn-Ce系合金,主要包括Mg-6Zn-5Ce和Mg-6Zn-5Ce-1.5Ca合金。論文還對合金的微觀組織、室溫和高溫力學(xué)性能及抗蠕變性能進(jìn)行了研究。主要得到以下結(jié)論:
　　 (1)RS Mg-Zn系合金薄片的組織與性能
　　 Ca的加入顯著改善了RSMg-Zn合金薄片的組織

5、和性能。隨著Ca含量的增加,合金中低熔點(diǎn)的Mg51Zn20相逐漸被熔點(diǎn)更高的Ca2Mg6Zn3和Mg2Ca相替代,合會的熱穩(wěn)定性逐漸提高。當(dāng)Ca的含量高于1.5wt.％時(shí),合金的組織顯著細(xì)化,最小品粒尺寸達(dá)到3～5μm,熱穩(wěn)定的彌散相的體積分?jǐn)?shù)大幅度增加。RSMg-6Zn-5Ca合金表現(xiàn)出顯著的等時(shí)時(shí)效硬化行為,其硬度最大值達(dá)到120.8±4.5Hv。合金的硬化行為主要是由晶粒內(nèi)部細(xì)小、彌散的Ca2Mg6Zn3相的析出引起的,晶界處則形

6、成了尺寸相對較大的Mg2Ca和Ca2Mg6Zn3等熱穩(wěn)定的析出相,這都有助于合金在高溫下保持較高的硬度值。
　　 Ce有助于細(xì)化RS Mg-Zn合金薄片的組織和提高合金的熱穩(wěn)定性。隨著Ce含量的增加,合金的組織逐漸細(xì)化,最小品粒尺寸達(dá)到4～7μm,同時(shí)合金中高熔點(diǎn)的彌散相的體積分?jǐn)?shù)大幅度增加。Ce與Zn-Mg形成了熔點(diǎn)更高(470～500℃)的Mg-Zn-Ce相(T相),使合金中低熔點(diǎn)的Mg51Zn20相顯著減少,大幅度提高了合

7、金的熱穩(wěn)定性,合金的等時(shí)時(shí)效硬化行為卻逐漸減弱。但在RT～400℃熱處理溫度范圍,Mg-6Zn-5Ce合金的硬度值明顯高于其它成分的Mg-Zn-Ce合金,其硬度最大值為91.5±7Hv,主要強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。該合金中高熔點(diǎn)的T相的原子百分比為80.8at.％Mg,12.4at.％Zn和6.8at.％Ce,其中(Zn/Ce)at約為2∶1。
　　 在RS Mg-6Zn-5Ca合金薄片中添加RE(Ce和La)后,合金中形

8、成了一種固溶有少量(約2～3at.％)Ca的Mg-Zn-RE相(簡稱為T'相)。T'相的熔點(diǎn)與T相的相近,均明顯高于Ca2Mg6Zn3相。與此同時(shí),隨著RE含量的增加,Ca2Mg6Zn3相中溶入了少量的RE元素,使Ca2Mg6Zn3相的熱穩(wěn)定性提高了約6～16℃。這些都有助于提高RS Mg-Zn-Ca-RE合金的熱穩(wěn)定性。Mg-6Zn-5Ca-3Ce合金表現(xiàn)出顯著的等時(shí)時(shí)效硬化行為,其最高硬度值達(dá)到162.4±5.5Hv,這主要是由晶粒

9、內(nèi)部細(xì)小、彌散的Ca2Mg6Zn3相的析出引起的,而晶界處形成了高熔點(diǎn)的T'相、Mg12Ce和Mg2Ca相,這都有助于合金在高溫下保持較高的硬度值。
　　 (2)RS/PM Mg-Zn系合金棒材的微觀組織、室溫和高溫力學(xué)性能及抗蠕變性能
　　 在熱擠壓過程中,合金的組織顯著細(xì)化,同時(shí)析出相的體積分?jǐn)?shù)大幅度增加,但合金中的主要物相沒有發(fā)生明顯的變化。對于RS/PM Mg-Zn-Ca系合金,Ca和RE(Ce和La)的依次加入

10、可以大幅度提高合金的室溫和高溫性能。在Mg-6Zn合金中添加5wt.％Ca后,合金的晶界處形成了大量、熱穩(wěn)定的Mg2Ca和Ca2Mg6Zn3相,有效地強(qiáng)化了晶界,使合金在200℃條件下的抗壓強(qiáng)度由40.7MPa(Mg-6Zn)大幅度提高到202.3MPa(Mg-6Zn-5Ca);而后者的最小蠕變速率是前者的1/134(200℃/50MPa條件下)。進(jìn)一步加入RE后,除了Mg2Ca相外,合金的晶界處還形成了大量、高熔點(diǎn)的T'相,同時(shí)RE還

11、有助于改善Ca2Mg6Zn3相的熱穩(wěn)定性,從而使合金的高溫抗壓強(qiáng)度(200℃)提高到234.0MPa(Mg-6Zn-5Ca-3Ce合金)和244.6MPa(Mg-6Zn-5Ca-3Ce-0.5La合金)。在175℃/50MPa條件下,后兩種合金的最小蠕變速率分別約為Mg-6Zn-5Ca合金的1/2和1/4。
　　 對于RS/PM Mg-Zn-Ce系合金,Ce和Ca的依次加入可以大幅度提高合金的室溫和高溫性能。在Mg-6Zn合金中

12、添加5wt.％Ce后,合金的晶粒內(nèi)部和晶界處形成了大量細(xì)小、彌散的T相,使Mg-6Zn-5Ce合金的高溫(200℃)抗壓強(qiáng)度高達(dá)225.9MPa;而該合金的最小蠕變速率是Mg-6Zn合金的1/1075(200℃/50MPa條件下)。由于T相的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Ca2Mg6Zn3相,因此,RS/PM Mg-6Zn-5Ce合金的抗蠕變性能明顯優(yōu)于RS/PM Mg-6Zn-5Ca合金。進(jìn)一步加入1.5wt.％Ca后,合金的晶界處形成了形狀不同的