Al及微量元素对Mg-Gd(-Y)合金晶粒细化行为、组织及力学性能影响的研究

摘要

作为最轻的金属结构材料，镁合金在航空航天、汽车和电子产品等需要减重的领域有广阔的应用前景。其中，近年开发的Mg-Gd系合金的力学性能优于目前性能最好的商业镁合金WE54，可用于开发高性能镁合金。晶粒细化可提高铸件的组织均匀性、力学性能和铸造性能等。对于不含铝(Al)的镁合金，锆(Z)被认为是目前最有效的晶粒细化剂，通常以Mg-Zr中间合金的方式加入。但是，Mg-Zr中间合金存在生产工艺复杂、Zr的利用率低、Zr易沉降等缺点。因此，廉价、细化效果稳定的细化剂还有待寻找。此外，在形核颗粒存在时，溶质含量及冷却速率会影响细化效果；复合添加一些微量元素可能会使晶粒进一步细化。最近的研究发现Al与稀土(RE)元素钇（Y)之间形成的Al2Y颗粒是镁基体高效的异质形核剂。基于理论分析，其它的Al2RE颗粒也可能是镁基体有效的异质形核剂。但是，Al2Gd和Al2(GdxY1-x)颗粒是否是镁基体有效的异质形核核心以及添加廉价的Al能否有效细化Mg-Gd(-Y)合金的晶粒还有待研究。
　　本文研究了添加Al对Mg-Gd(-Y)合金的晶粒细化行为，证实了添加Al可有效细化Mg-10Gd(-3Y)合金，Al2Gd和Al2(Gd0.5Y0.5)颗粒是镁基体有效的异质形核颗粒；揭示了添加Al细化的Mg-Gd-Y合金的晶粒尺寸与冷却速率、溶质含量、形核颗粒的尺寸及数量密度之间的定量关系，并发现添加微量元素(Ca、Sr、Ti和Zr)可进一步提高Al2Gd颗粒的形核效率；优化了添加Al细化的Mg-(10，12)Gd-3Y合金的热处理工艺，比较了分别添加Al和Zr细化的Mg-(10，12)Gd-3Y合金的拉伸性能；阐明了添加Al细化的合金在热处理过程中的组织演变。获得结果如下:
　　a)研究表明，添加一定量Al后Mg-10Gd和Mg-10Gd-3Y合金的晶粒尺寸明显细化，细化效果和Zr的细化效果相当，证实了添加Al可有效细化晶粒。组织分析表明有Al2Gd和Al2(Gd0.5Y0.5)颗粒在熔体中原位形成并位于晶粒中心，与镁基体的取向关系为＜112＞Al2RE‖＜2110＞α-Mg，{110}Al2RE‖{0(1)10}α-Mg，{(1)(1)1}Al2RE‖{0001}α-Mg，证实了这些颗粒是镁基体有效的异质形核核心。
　　b)添加Al后Mg-Gd-Y合金中原位形成的Al2(GdxY1-x)颗粒的数量密度和尺寸分布受到溶质元素含量及冷却速率的影响，水淬实验表明这是由于Al2(GdxY1-x)颗粒是在从坩埚中取样后形成的。研究还发现为了获得优异的细化效率，添加Al细化Mg-Gd-Y合金的晶粒时需要较高的冷却速率和稀土含量。
　　c)拟合了Mg-Gd-Y基体合金的晶粒尺寸（dgs）与生长限制因子(Q)及冷却速率（T）之间的关系，发现了dgs=a+b/Q√(T)关系式；基于前人的研究结果，推导了添加Al细化的合金的dgs与Q、T、形核颗粒的尺寸（dp）及数量密度(ρns）之间的关系，构建了dgs=a'/√ρns+b'/√(T)Qdp关系式，其中:a、b、a'和b'是常数。
　　d)研究表明复合添加微量元素(Ca、Sr、Ti和Zr)可进一步细化添加1％Al细化的Mg-10Gd合金的晶粒。基于组织分析，阐述了晶粒进一步细化的机理是这些元素提高了有效形核颗粒的数量密度。
　　e)固溶时添加0.8％ Al细化的Mg-(10，12)Gd-3Y合金中有片状颗粒析出，在较高的温度固溶才能使大部分析出的片状颗粒溶解到基体中。在优化的工艺热处理后，添加0.8％ Al细化的合金的强度和添加Zr细化的合金的强度相当，表明利用Al替代Zr细化合金是可行的。
　　f)基于组织分析，发现Mg-10Gd-3 Y-0.8Al合金在高温固溶后残余的片状颗粒是18R型长周期堆垛有序结构，其成分为Mg-7.9 at.％ Al-7.8 at.％ Gd-3.1 at.％ Y;在250℃时效的析出序列与Mg-10Gd-3Y(-Zr)合金中的析出序列相同，即过饱和的固溶体(S.S.S.S.)→β

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 铸造镁合金晶粒细化的作用

1．3 铸造镁合金的晶粒细化方法

1．3．1 含Al镁合金

1．3．2 不含Al的镁合金

1．4 晶粒细化理论

1．4．1 异质形核核心的判据

1．4．2 自由生长理论

1．4．3 晶粒尺寸与溶质元素、形核颗粒之间的关系

1．5 镁稀土合金的研究

1．5．1 镁稀土合金的发展过程

1．5．2 Mg-Gd系合金

1．6 镁-稀土合金的强化机制

1．6．1 细晶强化

1．6．2 固溶强化

1．6．3 析出强化

1．6．4 弥散强化

1．7 本文研究内容

参考文献

第二章 合金制备及试验方法

2．1 合金制备

2．1．1 原材料

2．1．2 熔炼设备和气体保护

2．1．3 合金的制备工艺

2．2 合金的热处理

2．3 合金的显微组织和相分析

2．3．1 金相制备

2．3．2 X射线衍射(XRD)分析

2．3．3 扫描电镜分析

2．3．4 透射电镜分析

2．4 合金的力学性能测试

2．4．1 硬度实验

2．4．2 拉伸试验

参考文献

第三章 添加Al对Mg-RE(Gd，Gd+Y，Sm)合金的晶粒细化

3．1 引言

3．2 Al对Mg-RE合金的晶粒细化

3．2．1 Mg-10Gd-xAl合金

3．2．2 Mg-10Gd-3Y-xAl台金

3．2．3 Mg-Sm-xAl合金

3．3 有效形核颗粒鉴定

3．3．1 Mg-10Gd-xAl合金中的形核颗粒

3．3．2 Mg-10Gd-3Y-0．8Al合金中的形核颗粒

3．3．3 Mg-3Sm-2．5Al合金中的形核颗粒

3．4 可能有效的颗粒的尺寸分布和数量密度

3．5 晶粒的热稳定性

3．6 讨论

3．6．1 晶粒细化机理

3．6．2 颗粒尺寸分布

3．6．3 晶粒的热稳定性

3．7 本章小结

参考文献

第四章 冷却速率和溶质含量对Mg-Gd-Y-Al合金的晶粒尺寸的影响

4．1 引言

4．2 Mg-Gd-Y(-Al)合金的晶粒尺寸

4．3 Mg-Gd-Y-Al合金的组织

4．4 Al2(GdxY1-x)颗粒的尺寸分布及数量密度

4．5 讨论

4．5．1 晶粒尺寸与溶质元素、冷却速率和形核颗粒的数量密度及尺寸的关系

4．5．2 冷却速率对Mg-Gd-Y-Al合金组织的影响

4．5．3 与利用Zr细化的比较

4．6 本章小结

参考文献

第五章 微量元素(Ca、Sr、Ti和Zr)对Mg-Gd(-Y)-Al合金的晶粒细化行为

5．1 引言

5．2 微量元素对Mg-10Gd-1Al合金的晶粒细化

5．2．1 Ca的细化

5．2．2 Sr的细化

5．2．3 Ti的细化

5．2．4 Zr的细化

5．3 微量元素对Mg-10Gd-3Y-0．8Al合金的细化

5．4 合金的组l织

5．5 Mg-10Gd-1Al合金中析出的颗粒

5．6 分析与讨论

5．6．1 微量元素的晶粒细化机理

5．6．2 析出的Al2Gd颗粒与基体的取向关系

5．7 本章小结

参考文献

第六章 Mg-(10，12)Gd-3Y-0．8Al合金的热处理工艺优化及力学性能

6．1 引言

6．2 固溶工艺优化

6．3 时效硬化行为

6．4 断口分析

6．5 本章小结

参考文献

第七章 Mg-10Gd-3Y-0．8Al合金在热处理过程中的组织演变

7．1 引言

7．2 固溶过程中的组织演变

7．3 时效过程中的析出相

7．3．1 250℃时效

7．3．2 200℃时效

7．4 讨论

7．4．1 Al对Mg-10Gd-3Y合金固溶过程中组织演变的影响

7．4．2 时效过程中的析出序列

7．4．3 强化效果对比

7．5 本章小节

参考文献

第八章 结论和创新点

8．1 结论

8．2 创新点

致谢

攻读博士期间发表的学术论文、专利及奖励