纳米晶LPSO相颗粒增强镁基复合材料制备工艺及力学性能研究

摘要

长周期堆垛有序结构(Long Period Stacking Order,LPSO)因其高硬度、高弹性模量、高热稳定性以及与镁基体界面共格良好等特点近年来受到了科研界的广泛关注。但目前大部分对于LPSO相的研究为原位自生方法生成，且LPSO相仅能存在于Mg-TM-RE体系中，这极大地限制了LPSO相合金的应用。本文以纳米晶LPSO粉末(LPSOp)为增强相，分别以Mg与AZ91合金为基体，制备了纳米晶LPSOp增强镁基复合材料，在提升复合材料强度的同时也拓展了LPSO相应用领域。具体方法为:采用常规铸造法制备出铸态组织含100％LPSO相的Mg85Zn6Y9(at.％)中间合金，铣床初次破碎后在SPEX8000高能球磨机中球磨成纳米晶粉末，详细研究了球磨时间及退火工艺对LPSOp组织与性能的影响。选取低于200目的LPSOp分别采用超高压(SHP)与放电等离子体烧结(SPS)方法将其分别同Mg与AZ91基体复合制备镁基复合材料并系统的研究了LPSOp含量及热处理对复合材料微观组织结构与室温力学性能的影响。
　　研究结果表明:可以利用高能球磨法将铸态Mg85Zn6Y9合金成功制备成纳米晶LPSOp，高能球磨可显著降低LPSOp的粒径，细化晶粒，提高硬度，其中LPSOp显微硬度提高主要归因于球磨过程中晶粒细化、LPSO相与纳米W相团簇的协同强化作用。此外，LPSOp块体试样的显微硬度对退火温度不敏感，表明LPSOp具有良好的热稳定性。通过SHP法制备的LPSOp/Mg复合材料，致密度极高，LPSOp的加入有利于提升复合材料的力学性能，经400℃×1h退火处理后使LPSOp中的LPSO相析出，复合材料的室温抗压强度、屈服强度均有不同程度的提高，其中添加了30wt％LPSOp的复合材料的屈服强度与抗压强度分别为225MPa与360MPa，比基体合金提升了150％。LPSOp/Mg复合材料主要强化机制归因于准连续网状增强、界面载荷传递、弥散强化、固溶强化与细晶强化等。对SPS法制备的LPSOp/AZ91复合材料，致密度可达97％以上，但随LPSOp含量提高，致密度有降低趋势，烧结态的复合材料屈服强度明显高于AZ91镁合金。经400℃×24h固溶处理后的LPSOp/AZ91复合材料在塑性提升的同时，屈服强度基本保持不变;20wt％LPSOp添加量可获得最佳性能，经固溶处理后的屈服强度与抗压强度分别从200MPa和430MPa转变为230MPa和400MPa。此外，LPSOp经固溶处理后仍维持在较高硬度水平，表明LPSOp具有较好的高温性能。LPSOp/AZ91复合材料的强化机制主要是载荷传递强化，细晶强化和Orowan强化机制等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 镁基复合材料的研究现状

1．2．1 增强颗粒的类型

1．2．2 镁基复合材料的制备方法

1．2．3 颗粒增强镁基复合材料的强化机制

1．3 长周期堆垛有序结构(LPSO)相镁合金的研究现状

1．3．1 合金元素对LPSO相形成的作用

1．3．2 LPSO相对镁合金组织性能的影响

1．4 本课题选题意义及研究内容

1．4．1 本课题选题意义

1．4．2 主要研究内容

2．1 实验材料

2．2 实验技术路线图

2．3 实验方法

2．3．1 纳米晶LPSO相粉末(LPSOp)制备

2．3．2 超高压法制备复合材料

2．3．3 SPS法制备复合材料

2．3．4 热处理工艺

2．4 表征方法

2．4．3 金相显微镜(OM)分析

2．4．4 透射电镜(TEM)分析

2．5 力学性能测试

2．5．1 密度分析

2．5．2 显微硬度测试

2．5．3 压缩性能测试

第三章 高能球磨法制备纳米晶LPSOp增强颗榈

3．1 引言

3．2 Mg85Zn6Y9合金铸态细织结构分析

3．3 高能球磨及退火工艺对LPSOp形貌及粒径的影响

3．4 高能球磨及退火工艺对LPSOp结构及相转变的影响

3．4．1 高能球磨及退火工艺对LPSOp相转变分析

3．4．2 高能球磨及退火工艺对LPSOp结构转变影响分析

3．4．3 高能球磨及退火工艺对LPSOp晶粒影响分析

3．5 高能球磨及退火工艺对LPSOp硬度影响

3．6 本章小结

第四章 超高压法制备LPSOp增强Mg基复合材料

4．1 引言

4．2 超高压处理及退火对LPSOp／Mg复合材料组织结构影响

4．3 超高压处理及退火对LPSOp／Mg复合材料力学性能影响

4．3．1 LPSOp／Mg复合材料硬度分析

4．3．2 LPSOp／Mg复合材料压缩性能分析

4．3．3 LPSOp／Mg复合材料压缩断口分析

4．4 LPSOp／Mg复合材料的强化机制

4．5 本章小结

第五章 SPS法制备LPSOp增强AZ91复合材料

5．1 引言

5．2 SPS烧结及固溶处理对LPSOp／AZ91复合材料组织结构影响

5．3 SPS烧结及固溶处理对LPSOp／AZ91复合材料力学性能影响

5．3．2 LPSOp／AZ91复合材料压缩性能分析

5．3．3 LPSOp／AZ91复合材料压缩断口分析

5．4 LPSOp／AZ91复合材料的烧结机制及致密化分析

5．5 LPSOp／AZ91复合材料的主要强化机制分析

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录