搅拌摩擦加工镁稀土合金的显微组织及力学行为研究

发布时间：2020-06-23 13:52

【摘要】：镁稀土合金在保留常规镁合金高比强度等优势的同时,又具备了可观的耐高温、耐腐蚀等性能,正受到研究者及工业界日益增加的关注。作为一种新近发展起来的大塑性变形工艺,搅拌摩擦加工技术(Friction Stir Processing,FSP)在不改变材料外形尺寸的情况下,利用高的应变及应变速率以实现材料的晶粒细化、颗粒破碎及弥散分布,以及组织的均匀化等过程。尽管已有学者将FSP技术应用于镁稀土合金并实现了组织的优化及力学性能的改善,但是FSP中材料的显微组织及织构演化规律,以及加工过程中稀土元素种类与含量所起的作用尚不明确。因此,探明搅拌摩擦加工过程中镁合金组织及织构演变规律以及影响因素对于加工工艺选择、镁合金组织调控以及服役寿命延长具有重要意义。本文选择了轻稀土Mg-Nd-Zn-Zr合金、不同Gd含量重稀土Mg-Gd-Zr合金和Mg-Gd-Zn-Zr合金等共计六种成分的合金作为母材进行搅拌摩擦加工,系统表征了材料加工前后的晶粒结构、相组成与分布以及织构特征,并测试了搅拌区组织的力学性能。随后,结合搅拌区温度场讨论了工艺参数、合金成分及相组成对搅拌区显微组织演化、织构转变及力学性能的影响。此外,通过搅拌摩擦加工及后续热处理的方式对镁稀土合金组织进行调控,获得了具有不同相组成的典型组织。论文具体的研究工作及主要结论如下:本文首先采用不同工艺参数加工轻稀土Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr(wt.%)合金(NZ30),测温结果显示,热输入的提升扩大了搅拌区的范围。各参数条件下搅拌区顶层峰值温度均接近600℃,搅拌区中心温度均为520℃。搅拌区晶界Mg_(12)Nd相溶解,中心组织主要为单相α。搅拌区横截面竖直方向织构分布随深度增加由顶层0001_(Mg)||ND方向转向0001_(Mg)||PD方向,材料基面倾向于与搅拌头外表面平行。FSP后材料的强度和塑性得到显著提升,过度提升热输入量会带来搅拌区顶层延伸率的下降。为了进一步研究稀土元素含量的影响,本文随后选取了重稀土Mg-6 wt.%Gd(G6),Mg-10 wt.%Gd(G10)及Mg-14 wt.%Gd(G14)合金进行搅拌摩擦加工,铸态及固溶态合金母材均获得了无缺陷的组织。随着母材Gd含量的上升,搅拌区组织平均织构强度显著下降。在低Gd含量合金中,随着热输入量的增加,材料织构由S型软织构转变为P型硬织构。相同热输入下不同热处理状态材料搅拌区中间层及底层温度分布相近,顶层差异较明显。相对于固溶态母材,铸态合金经FSP之后组织晶粒尺寸较小,HAB比例较高,平均织构较弱,晶界残留β相可能是造成这种差异的主要原因。Gd含量影响合金在FSP过程中的再结晶方式,再结晶形成的初生晶组织在随后的迁移过程中发生晶粒的长大及重定向。局部区域Gd元素在晶界处较弱的偏聚程度的固溶态G14搅拌区异常强织构的形成。最后,本文对不同热处理状态的Mg-14Gd-2.5Zn-0.3Z4(wt.%)合金(GZ142)进行FSP以讨论第二相的影响。母材经FSP之后,晶粒得到细化,第二相颗粒破碎并弥散分布。母材中的β相枝晶经低热输入FSP之后变为细小的β-(Mg,Zn)_3Gd相,X相破碎为晶界细小X相,晶内14H-LPSO结构在细小晶粒内得以保留,第二相的种类没有发生改变。高热输入FSP可以使母材中的X相转变为β相。在FSP过程中,材料在搅拌头到达之前即发生晶粒细化及第二相破碎,变形组织随后经过“运输区”进一步搅拌变形之后沉积在最终位置。不同状态GZ142合金经搅拌摩擦加工均获得弱织构,在Gd含量相对较低的GZ102.5合金中织构强度也较弱。大量第二相的存在改变了合金动态再结晶的方式,促进了合金在变形过程中的织构弱化。TMAZ区组织观察表明,铸态及LT4态GZ142合金主要通过CDRX细化晶粒,HT4态合金则包括CDRX及GDRX。经过搅拌摩擦加工之后,三种状态GZ142合金的YS及UTS均得到大幅提升。材料的强化效果主要由晶粒细化及破碎的第二相提供。细小的晶界长周期与基体边界失去了共格关系,变形协调能力减弱。底层试样在拉伸过程中出现屈服点现象,研究表明该现象的出现是由于晶粒尺寸减小而导致的形变硬化能力的降低。另外,孪晶在细晶Mg-Gd-Zn合金拉伸变形前期贡献较少。本文制备了晶内层片化细小单相GZ142合金并表征了其晶粒结构、织构分布及力学性能。结果表明,搅拌摩擦加工铸态GZ142合金搅拌区在较宽温度范围内短期退火处理即可仅在晶内形成层片状LPSO结构。长周期类型主要表现为14H-LPSO,组织织构较弱。该结构展示出极为优秀的室温塑性,断裂方式主要以沿晶断裂为主。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22
【图文】：

减重率,部件,镁合金,合金

上海交通大学博士学位论文.2 镁合金的发展及应用镁合金诞生至今已有 200 年的历史，但是其工业应用直到 20 世纪 80 年开始蓬勃发展。Mg-Al-Zn 合金是最早被大量使用的镁合金[31]，随后为了金的腐蚀性能，Mn 被添加到镁合金中，Mg-1.5 wt. %Mn 合金也是最早合金[32]。Zr 在 20 世纪 30 年代被发现可显著细化镁的晶粒尺寸。随后，强度含 Zr 铸造和变形镁合金得到开发[31]。出于航空工业领域对耐高温轻需求[33]，Mg-RE 合金被开发出来，由于 RE 元素的加入，镁合金的耐高到显著提高。其中，WE43（Mg-4wt.%Y-3wt.%Nd）和 QE22（Mg-2wt.%t. %Ag）是典型的商用耐热高强度镁稀土合金。如前文所述，镁合金作为最轻的金属结构材料，具有良好的铸造性能和、高的比热容、高的比阻尼容量和优良的电磁蔽屏性等优点[26, 34]，镁合被应用于汽车、航空航天和 3C 领域。图 1-2 至图 1-4 分别给出了近年来在这三个领域的一些应用实例。

镁合金,飞机

图 1-3 镁合金在飞机中的应用[36]Figure 1-3Applications of Mg alloys in aircrafts[36]图 1-4 镁合金在 3C 领域的应用[37]

【参考文献】