稀土Y对β相Mg-Li-Al系合金显微组织和力学性能的影响

摘要

镁锂合金凭借其低密度、高比强度、高比刚度和易于加工等优势在航空、航天和电子领域展现了广阔的应用前景。然而，其绝对强度较低和力学性能不稳定在很大程度上又限制其进一步使用。通过在镁锂合金中引入稀土元素Y，在合金内部形成一种金属间化合物Al2Y，该相能够显著地细化基体组织。因此，合金的热稳定性和力学性能得到显著提高。
　　本论文中，采用氩气保护的真空熔炼法制备了添加了Al和Y元素的新型镁锂合金。Mg-12Li-3Al合金中包含三种相：β-Li基体相、AlLi相以及θ-phase（MgLi2Al）相。在该合金体系中添加Y后，一种金属间化合物Al2Y相形成。合金的平均晶粒尺寸随着Y的添加量的增加而明显减小。添加1.0wt.％Y时，合金的细化效果最佳。当Y添加量继续增大时，导致了Al2Y聚集成块。金相观察结合XRD分析表明Al2Y抑制了AlLi和MgLi2Al两相的形成。对Mg-12Li-3Al-1Y合金的计算相图分析揭示Al2Y相在合金凝固过程中优先形成。利用Bramfitt方程对Al2Y和β-Li之间的错配度进行了计算，结果表明(111)Al2Y晶面与(111)Li晶面之间的错配度小于15％，证实含Y合金的细化机制是Al2Y对β-Li的异质形核作用。Y的添加量为1.0wt.％时，合金表现出最佳的综合力学性能。力学性能的提升主要归因于Al2Y对β-Li的显著的细化作用。再者，Al2Y对AlLi和MgLi2Al的抑制作用也有助于性能的提升。
　　本文还研究了Y元素对合金的热稳定性和力学性能的影响，选取Mg-12Li-3Al-(0,1)Y合金为研究对象，分别进行了测试。结果表明，在升温过程中，Mg-12Li-3Al合金的晶粒内的絮状颗粒物随着温度的升高而逐渐增多并且合金的平均晶粒尺寸也显著增大。然而，对于含Y合金，经历相同的升温过程后，晶粒内的析出物数量未见增加且晶粒的平均尺寸与常温状态下基本保持一致。这表明含Y合金具有更高的热稳定性。扫描电镜观察和相应的能谱分析揭示了Al2Y颗粒物在合金基体中弥散分布。Al2Y的熔点很高，是一种热力学性质稳定金属间化合物，在测试的温度范围内不会分解。在加热升温过程中，分布在晶界处的Al2Y可以有效地抑制合金基体相的长大。而且，由于Al2Y在合金凝固过程中优先形成，在其形成过程中，占用了大部分Al原子，剩余Al原子中大多固溶于β-Li中，使产生AlLi和MgLi2Al相的驱动力明显减弱。因此，与Mg-12Li-3Al合金相比，含Y合金中的AlLi和MgLi2Al相的数量明显减少。MgLi2Al是熔点很低的亚稳相，在测试温度范围内就会分解成弱相AlLi。因此，含Y合金在提升温度条件下展示了更好的力学性能。力学性能的提升归因于含Y合金具有更加稳定的显微组织。
　　对Mg-12Li-3Al-(0,1)Y合金进行了准静态条件下的压缩实验。结果表明两种合金的屈服强度和抗压强度随应变速率的增加而增加，Mg-12Li-3Al-1Y合金的屈服强度和抗压强度更大，但牺牲了部分塑形。在准静态压缩试验的基础上，利用霍普金森压杆，结合波形整形技术，研究了合金的动态力学行为。分别研究了两种合金在常温状态下，应变速率为700/s,1500/s,2300/s和3000/s时的合金的力学性能、变形机制和损伤机理。结果表明在高速冲击作用下，两种合金表现出明显的正应变效应，说明合金具有良好的耐冲击性能。含Y合金由于Al2Y的强化作用表现出更佳的力学性能。经历了高速冲击后的合金组织中未发现孪晶组织，表明合金的变形机制是滑移。含Y合金在动态冲击后产生的裂纹是沿着晶界上的和晶粒内的Al2Y扩展传播的，因此，其断裂机制既有沿晶断裂又包含穿晶断裂。
　　在本文中还对Mg-12Li-3Al-(0,1)Y两种合金进行了冷轧和温轧变形加工。无论是冷轧还是温轧，两种合金均表现出良好的塑性变形能力，都可以由20mm厚的铸板经冷轧和温轧过程轧制成2mm厚的薄板。但经过8道次的冷轧后Mg-12Li-3Al-(0,1)Y合金薄板的边缘出现开裂现象，而经过4个道次的温轧后，合金边缘没有开裂，说明温轧工艺更加适合Mg-12Li-3Al-(0,1)Y合金的变形加工。冷轧后，Mg-12Li-3Al-(0,1)Y合金的基体相的特征峰向右偏移且强度变化明显，说明在轧制过程中产生强烈的变形织构。Mg-12Li-3Al-(0,1)Y合金冷轧后抗拉强度显著提高但延伸率下降显著。经过轧制后，含Y合金具有更均匀的组织，因此具有更加优异的力学性能。

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第1章 绪论

1.1 镁锂合金概述

1.2 合金化元素对镁锂合金的作用

1.3 镁锂合金晶粒细化

1.4 晶粒细化理论

1.5 镁锂合金轧制研究概况

1.6 镁合金的动态力学性能

1.7 本论文研究的目的及意义

第2章 合金制备与实验方法

2.1 实验材料

2.2 镁锂合金的熔铸

2.3 镁锂合金的轧制变形

2.4 显微组织分析及性能测试

2.5 本论文主要研究内容和研究方法

第3章 Y对铸态Mg-12Li-3Al合金组织与性能的影响

3.1 引言

3.2 铸态合金的实际成分

3.3 铸态合金的显微组织

3.4 铸态合金的力学性能

3.5 本章小结

第4章 Y对Mg-12Li-3Al合金在提升温度条件下热稳定性和力学性能的影响

4.1 引言

4.2 铸态合金在提升温度下的显微组织

4.3 铸态合金在提升温度条件下的XRD

4.4 合金在提升温度条件下的力学性能

4.5 Al2Y对合金在提升温度条件下的力学性能影响机制

4.6 本章小结

第5章Mg-12Li-3Al-xY(x=0, 1)合金在冲击载荷作用下的力学行为、变形机制及损伤机理研究

5.1 引言

5.2 Mg-12Li-3Al-xY(x=0, 1)合金力学行为的研究

5.3Mg-12Li-3Al-xY(x=0, 1)合金在冲击载荷作用下的变形及损伤机理

5.4 本章小结

第6章 Y对轧制态Mg-12Li-3Al合金显微组织和力学性能的影响

6.1 引言

6.2 轧制态合金显微组织及板材制品

6.3轧制态Mg-12Li-3Al-(0, 1)Y合金的力学性能

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢