Mg-xGd-Zr合金扩散及均匀化研究

发布时间：2017-07-31 10:40

  本文关键词：Mg-xGd-Zr合金扩散及均匀化研究

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【摘要】：本文利用夹具法制备Mg-Gd二元扩散偶,通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)等手段,研究了Mg-Gd二元系在450℃-550℃之间的反应扩散现象,分析了其扩散热力学和动力学,为开发新型的Mg-Gd系合金提供实验数据,同时指导制定合金合理的热处理制度；此外,本文以Mg-xGd-Zr(x=1、2、3at%)合金为基础,利用OM、SEM、物相分析(XRD)和透射电镜(TEM)等分析检测手段,研究了合金在不同气体环境中热处理过程的微观组织形貌变化,分析了合金中方块相的成分和结构,并对其形成原因做出解释,进而为指导优化稀土镁合金的制备加工过程提供实验基础。在Mg-Gd二元扩散偶实验中发现,扩散偶在450℃-550℃之间保温不同时间后,在Mg/Gd母相间都生成了4层明显的扩散层,从Mg到Gd侧,依次为Mg5Gd、 Mg3Gd、Mg2Gd和MgGd。当热处理时间一定时,随着温度的升高各扩散层的厚度都明显增长；当温度一定时,其厚度随着保温时间的延长而增加,可用公式1=ktn进行描述。当热处理温度为450℃-500℃时n接近0.5,表明在该温度范围内扩散层的生长主要是由晶界扩散所控制；当温度接近550℃时,n0.5,这主要是由于扩散层中的晶粒发生了一定程度的长大。通过高斯解求得纯Gd向Mg扩散的频率因子和激活能分别为D0=1.49×10-9m2/s, Q=65.39kJ/mol。在Mg-xGd-Zr(x=1、2、3at%)合金的均匀化热处理实验中发现,1#合金在520℃×6h,2#合金在520℃x8h,3#合金在520℃×12h时的均匀化效果较为理想。然而合金中的方块相具有极高的热稳定性,在均匀化过程中不发生变化,其结构为FCC,晶格常数a=0.53nm,Gd含量为41.3at%～89.0at%,不属于Mg-Gd平衡相图中的任何一种相。合金经过淬火后再热处理,其表层(0-2mm)生成了大量的方块相沿晶界分布,而其内部(2mm以下)组织没有明显变化,其形成原因可能是由于淬火在合金表层形成了淬火应力,在后续的热处理过程中促进了合金表层方块相的形成。这表明方块相不仅在熔炼及凝固过程中形成,也能在后期热处理过程中生成。通过对比合金不同气体环境(纯H2、纯Ar、纯O2和大气)下热处理后的组织形貌发现,方块相的成分与合金热处理过程中所处的气体环境密切相关,其既可以是GdH2也可以是Gd203,但其晶体结构都为FCC,晶格常数a=0.53nm。大气环境中形成的方块相主要为Gd203,少量形成于合金的熔炼及凝固过程,大部分由合金在大气环境下热处理过程中在表面形成。在热处理过程中,方块相主要是在共晶组织分解阶段由共晶组织中的稀土氧化形成,而当共晶组织完全分解后其形成速度明显减小。应力应变能促进合金表层RE元素向晶界处偏聚进而氧化形成方块相,同时提高热处理温度,也会促进合金表层共晶组织分解氧化形成方块相。
【关键词】：镁合金 稀土 扩散 热处理 方块相
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-24
• 1.1 稀土镁合金11-14
• 1.1.1 稀土在镁合金中的作用11-12
• 1.1.2 稀土镁合金中的方块相12-14
• 1.2 Mg-Gd系合金14-16
• 1.2.1 Zr对Mg-Gd系合金的作用14-15
• 1.2.2 Mg-Gd系合金的均匀化处理15-16
• 1.3 扩散原理16-19
• 1.3.1 表象理论16-18
• 1.3.2 原子理论18-19
• 1.4 反应扩散19-21
• 1.5 课题研究依据、意义及内容21-23
• 1.5.1 课题研究依据及意义21-22
• 1.5.2 课题研究内容22-23
• 1.6 本章小结23-24
• 2 实验材料及研究方法24-29
• 2.1 实验方案24-25
• 2.2 实验研究方法及设备25-28
• 2.2.1 Mg-Gd扩散偶实验材料及设备25-26
• 2.2.2 Mg-xGd-Zr合金的熔炼26
• 2.2.3 合金均匀化处理26-27
• 2.2.4 合金均匀化过程方块相的研究27
• 2.2.5 分析设备27-28
• 2.3 本章小结28-29
• 3. Mg-Gd二元反应扩散研究29-38
• 3.1 组织形貌及成分分析29-33
• 3.2 反应扩散机理及动力学33-35
• 3.2.1 扩散层的生长机理33-34
• 3.2.2 反应扩散控制过程34-35
• 3.3 扩散系数及激活能35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4. Mg-Gd-Zr合金的均匀化研究38-54
• 4.1 合金铸态组织和成分研究38-41
• 4.1.1 合金铸态组织形貌38-39
• 4.1.2 铸态组织中第二相的成分和结构39-41
• 4.2 合金的均匀化41-46
• 4.2.1 合金均匀化制度41-44
• 4.2.2 均匀化后合金组织成分44-46
• 4.3 合金的双级热处理46-50
• 4.3.1 合金的微观组织形貌46-49
• 4.3.2 成分结构分析49-50
• 4.4 均匀化动力学分析50-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 合金热处理过程中方块相的研究54-69
• 5.1 大气和氩气环境下热处理实验54-58
• 5.1.1 合金组织形貌54-56
• 5.1.2 合金的XRD和TEM分析56-58
• 5.2 H_2和O_2对方块相形成的影响58-61
• 5.3 方块相的形成61-63
• 5.4 应变对方块相形成的影响63-64
• 5.5 共晶组织的分解氧化64-68
• 5.6 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-78
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果78-79
• 致谢79

【参考文献】

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本文编号：598785