高性能Mg-RE-TM系镁合金中LPSO相和沉淀硬化相的复合强韧化研究

发布时间：2019-05-10 05:49

【摘要】：轻质高强韧镁合金是航空航天、国防军工及现代工业发展中紧迫的轻量化材料需求之一,对缓解我国资源短缺、能源危机和环境污染的意义重大。含长周期堆垛有序相(LPSO相)和沉淀硬化相的Mg-RE-TM是目前性能最好的高强镁合金体系,其强度在500MPa以上,已基本达到商用高强铝合金的强度,但延伸率却普遍偏低(通常在5%以下),无法满足作为关键承力构件的工程应用。如何利用有效的强韧化途径,解决高强镁合金强度塑性不可兼得的矛盾,已成为一个亟待解决的科学难题。如要设计出高强高韧Mg-RE-TM镁合金,则必须澄清该合金的强韧化机制,掌握强度塑性的变化规律,为最终的合金设计与应用提供理论指导。针对这一现状,作者将合金中的起主要强化作用的第二相(LPSO相和沉淀硬化相)完全独立出来,设计出只含LPSO相和只含沉淀硬化相的合金,然后综合考虑这两种相的影响,设计出含LPSO相和沉淀相的多相复合合金,最终揭示合金的强韧化机制。本文首先研究了Mg-RE单一沉淀硬化相镁合金的强韧化规律。结果表明,在可形成沉淀硬化相的不同RE元素里,Gd和Y元素的时效效果较好,Y含量在RE总量2.0at.%以上才有时效效果,而Gd含量在1.6at.%以上则有时效效果。在此基础上设计出的Mg-1.2at.%Gd-1.0at.%Y,抗拉强度400MPa,延伸率超过9%,综合力学性能优异。然后,研究了Mg-RE-TM单一LPSO相镁合金的强韧化规律。通过Zn/Y比设计得出该值3/4时合金力学性能最为优异。在保证Zn/RE不变的基础上,从铸态下形成LPSO相和通过热处理才能形成LPSO相的两类合金进行研究,结果发现Mg-Ni-Y镁合金具有最高的抗拉强度,Mg-Zn-Y合金塑性较为优异且综合性能较好。而铸态下无LPSO相的Mg-Gd-Zn合金,经固溶退火工艺处理后,可以在合金中析出大量的层状结构14H型LPSO相,其强度较低,塑性较好。在此基础上设计出的Mg-Gd-Y-Zn合金力学性能优异,抗拉强度达到370MPa,延伸率7%。在综合LPSO相和沉淀相强化效果的基础上,设计出了Mg-Gd-Y-Zn合金,并进行Mn微合金化及控制Zn含量,采用固溶退火、挤压和时效工艺后合金强度达到493MPa,延伸率5.5%,综合性能优异。随后,研究了在LPSO相和沉淀相强化复合的合金中,改变LPSO相的形态、结构、分布对合金力学性能的影响规律。采用Ni替换,RE元素调控,热处理调控,微合金化手段调控LPSO相种类、含量、形态,实验结果表明,当LPSO相呈层状形貌时可显著提高合金的强度,而LPSO相呈块状形貌则对提升合金的塑性有帮助,且层状LPSO相越致密越细小,合金的强度提升越明显。在此基础上采用感应制得的GWZM3合金经540℃×4h炉冷退火后的挤压态合金,其抗拉强度400MPa,延伸率12.6%,综合性能优异。再次,研究了在LPSO相和沉淀相强化复合的合金中,沉淀析出行为对合金力学性能的影响。结果表明,Mg-RE-TM合金时效后,整体强度均有大幅提升,但塑性下降较为明显。然而,无论LPSO相的形态结构怎样变化,合金的抗拉强度提升情况大致相同,但塑性变化情况则差异明显。且部分合金在时效时出现了时效平台现象,该现象使得合金在峰时效下塑性下降程度减小,即在一定程度上提高了合金的塑性。最后,基于上述研究,结合时效过程中的时效平台现象,发现有时效平台现象的GWZM3合金,随着时效时间的增加,合金的强度塑性同时提高的现象,并获得抗拉强度538MPa,延伸率10%的性能。在此基础上,从LPSO相与沉淀相的复合强韧化出发,探讨了高强Mg-RE-TM合金的强韧化机制,认为该高强高韧Mg-RE-TM系镁合金的强韧化机制,为LPSO相、沉淀相和层错三种结构的叠加,并针对Mg-Gd-Y-Zn系合金总结出了设计高强高韧镁合金的基本方法,并提出了自己的见解。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22

【参考文献】