含长周期有序结构相的Mg-Gd-Y-Nd-Zn系合金组织与性能研究

发布时间：2018-12-16 02:06

【摘要】：近年来,在Mg-RE-Zn(RE/Zn1)系合金中发现了长周期有序堆垛(long-period stacking ordered/LPSO)结构相,该相能够显著提高镁合金的室温塑性,同时适量LPSO结构相的存在也有利于镁合金阻尼性能的改善。因此,这类合金有望发展成为新一代高强高韧高阻尼镁合金。LPSO结构相的形成会消耗RE元素,RE元素的消耗会降低合金的沉淀强化效果。LPSO结构相以(0001)α面为惯习面,沿着011?0α方向具有较大尺度,这种取向决定了LPSO结构相的强化作用远小于沉淀强化的作用。因此,含LPSO结构相的高强高韧镁合金设计的关键点就是利用LPSO结构相提高合金塑性的同时还具有显著的沉淀强化效果,这就需要参与和不参与LPSO结构相形成的两类稀土元素进行相互配合,其中不参与形成LPSO结构相的稀土元素可以对沉淀强化作用进行补充。研究表明:Gd和Y元素会参与形成LPSO结构相,而Nd元素不参与形成LPSO结构相,适量Nd元素的添加可以起到补充沉淀强化的作用。EW75合金属于一种高强耐热Mg-Gd-Y-Nd镁合金,这种合金强度高,但室温塑性差,同时在热变形过程中会析出大量的富Y颗粒。基于以上研究现状,本文设计并系统研究了含有LPSO结构相的新型Mg-7Gd-3Y-1Nd-xZn-0.5Zr(x=0.5、1、2wt.%)合金的组织与性能。三种合金的铸态组织都由等轴的α-Mg基体、靠近晶界处α-Mg基体中的针状结构相及晶界上的共晶组织组成。Zn含量为0.5wt.%时,晶界上不连续网状形貌的共晶β相Mg_5(RE,Zn)为面心立方结构,晶格常数为2.22nm;Zn含量为1和2wt.%时,晶界上骨骼状形貌的共晶β相(Mg,Zn)_3RE也是面心立方结构,晶格常数为0.73nm。Zn含量为2wt.%时,在晶界上还出现了一种块状14H-LPSO结构相,而靠近晶界处α-Mg基体中的针状结构相是一种堆垛层错,在层错上出现了RE和Zn原子的有序化。研究了均匀化热处理工艺。首先,在505℃、520℃和535℃下进行了单级均匀化热处理。在505℃和520℃热处理32h后发现:Zn含量为0.5wt.%时,晶界上存在着未溶的第二相颗粒;Zn含量为1wt.%时,晶界上仍然存在着未溶的共晶β相;Zn含量为2wt.%时,晶界上出现了粗大的连续网状LPSO结构相。在535℃热处理2h后,在Zn含量为1和2wt.%的组织中发现(Mg,Zn)_3RE相过烧。其次,研究了双级均匀化热处理。第一级均匀化热处理制度为480℃×24h,均匀化后晶界上的共晶β相Mg_5(RE,Zn)部分回溶,而β相(Mg,Zn)_3RE基本回溶;延长热处理时间后,微观组织没有明显变化;第二级均匀化热处理制度为500℃×32h,均匀化后Zn含量为0.5wt.%的微观组织中由等轴的α-Mg基体构成;Zn含量为1和2wt.%的微观组织由等轴的α-mg基体及晶界上的块状14h-lpso结构相构成。通过研究双级均匀化热处理过程中的过烧机理发现:高温下,zn元素倾向于聚集成相,re元素的不断扩散导致lpso结构相向富zn相转变,该富zn相会引起过烧。研究了温度对14h-lpso结构相形貌的影响发现:温度越高,re元素在α-mg基体中的固溶度越大,同时zn元素在高温下容易偏聚在晶界上,从而在晶界上形成块状形貌;温度越低,re元素α-mg基体中的固溶度减小,同时zn元素可以快速扩散进入α-mg基体中,从而有利于在α-mg基体中形成针状形貌。热处理初期,14h-lpso结构相在晶界上形核,随后晶核以针状形式向α-mg基体中生长,进一步延长热处理时间针状14h-lpso结构相靠近晶内一端逐渐回溶,从而使针状14-lpso结构相的长度由晶内向晶界方向逐渐缩短,最终在晶界上形成块状14h-lpso结构相。在后续组织调控过程中发现:晶界上的块状14h-lpso结构相在随炉冷却过程中会缓慢分解,分解后产生的zn与re原子的扩散是不同步的,zn原子可以快速扩散进入α-mg基体中参与针状14h-lpso结构相的形成,而re原子滞留在晶界上并与mg反应形成mg-re相颗粒,随着晶内针状14h-lpso结构相的增多,合金的强度逐渐降低,塑性逐渐升高。研究了合金的热变形行为。块状14h-lpso结构相硬度高于α-mg基体,从而使合金的变形抗力增大,变形激活能高达290.39kj/mol,但块状14h-lpso结构相也能够起到诱导动态再结晶的作用,动态再结晶激活能仅为29.609kj/mol。针状14h-lpso结构相的增多使流变应力下降,变形后针状14h-lpso结构相分布在变形晶粒中。研究了挤压态合金的组织和力学性能。随着zn含量的增加,微观组织中动态再结晶晶粒所占比例下降,变形晶粒所占比例升高,织构类型都为(0001)基面织构,最大极密度分别为42.698,3.577和4.935,室温抗拉强度分别为320mpa、339mpa、346mpa,屈服强度分别为243mpa、268mpa、280mpa;延伸率分别为11%、13%、15%。在zn含量为1wt.%的挤压态合金中,预析出针状14h-lpso结构相的存在使微观组织中的变形晶粒所占比例大幅度增加,织构类型为{101?0}α非基面织构,室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为341mpa,284mpa和22%。研究了挤压态合金的时效处理。随着zn含量的增加,沉淀强化效果逐渐减弱;峰时效热处理后,室温抗拉强度分别为415mpa、400mpa、390mpa,屈服强度分别为346mpa、351mpa、346mpa,延伸率分别为6%、12%、9.5%;高温(300℃)抗拉强度分别为297mpa,279mpa和272mpa,延伸率分别为14%,35%和42%。zn含量为1wt.%时,含预析出针状14h-lpso结构相的挤压态合金峰时效后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为400mpa,335mpa和15%;高温(300℃)抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为281MPa,262MPa和38%。系统研究了峰时效热处理后的阻尼性能。从室温阻尼应变谱中发现:应变振幅在10-5~10-4之间时,阻尼值Q~(-1)_(0.5wt.%Zn)Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(1wt.%Zn);应变振幅大于10-4时,阻尼值Q~(-1)_(1wt.%Zn)Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(0.5wt.%Zn)。从高温(300℃)阻尼应变谱中发现:应变振幅在10-5~10-4之间时,阻尼值Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(1wt.%Zn)Q~(-1)_(0.5wt.%Zn);当应变振幅大于10-4时,阻尼值Q~(-1)_(1wt.%Zn)Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(0.5wt.%Zn)。利用TEM研究了峰时效后的微观组织结构。沿着11(2|-)0α晶带轴观察发现:在时效处理过程中有层错的出现,并且在层错上有溶质原子的偏聚,同时在层错附近出现了严重的晶格畸变;沿着[0001]α晶带轴观察发现毗邻沉淀相β′出现了一种棒状相,该棒状相中RE元素含量更高,并且这种棒状相可以细分为若干个相互平行结构单元,而每个结构单元可以看成是由六个原子组成的六边形相互拼接而成。
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【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22

【参考文献】