Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr铸造镁合金的显微组织和力学性能研究

摘要

稀土镁合金作为一种有发展前途的高性能镁合金，其在航空航天等领域应用前景广阔。由于同时添加Gd和Y元素可大幅度提高镁合金的时效强化效果，从而使得Mg-Gd-Y系镁合金成为当今稀土镁合金的研究热点之一。众所周知，在Mg-Gd-Y系镁合金中加入Zn元素会形成LPSO长周期有序结构相，而LPSO结构相的高温热稳定性和塑性变形能力优异，从而可保证合金在具有较高强度的同时兼备较好的韧性。因此，国内外对Mg-Gd-Y-Zn基稀土镁合金的研究开发给予了广泛的关注和高度的重视，并开展了许多积极的研究。考虑到已有研究对Y含量变化及热处理影响相应Mg-Gd-Y-Zn基合金组织性能的研究还不是十分系统，因此进一步围绕合金化和热处理影响Mg-Gd-Y-Zn基稀土镁合金的显微组织和力学性能展开研究，对于Mg-Gd-Y系和/或Mg-Gd-Y-Zn基高性能稀土镁合金的开发和应用具有重要的理论意义和实际价值。　　本文在前期Mg-Gd-Y-Zn基高强高韧铸造镁合金的基础上，通过改变Y元素的含量，设计制备了Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr（x=1.0-2.4wt.%）铸造镁合金，并在此基础上利用光学显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）、扫描差热分析（DSC）以及显微硬度、室温拉伸力学性能测试等手段，研究比较了Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr试验镁合金的显微组织和力学性能，尤其是Y含量变化和热处理对试验合金显微组织和力学性能的影响，并得到了以下主要研究结果：　　1）不同Y含量的Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr试验镁合金的铸态显微组织均主要由α-Mg、骨骼状Mg3(Gd,Y,Zn)共晶相、条纹状Mg10(Gd,Y,Zn)相（LPSO结构相）和少量方块状MgRE相组成，其中共晶相和LPSO结构相在晶界处交替相间并呈连续网状分布，而MgRE相则散乱分布在LPSO结构相附近。此外，随着Y含量从1.0wt.%增加到2.4wt.%，合金组织中第二相的体积分数逐渐增加，同时合金中枝晶的尺寸逐渐减小。　　2）不同Y含量的Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr试验镁合金的室温拉伸性能存在一定的差异。随着Y含量从1.0wt.%增加到2.4wt.%，试验镁合金的抗拉强度逐渐增大、屈服强度和延伸率则是先增大后减小。在不同Y含量的试验镁合金中，以2.0wt.%Y合金具有相对较优的综合室温拉伸性能，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了212.4MPa、174.1MPa和7.1%。　　3）不同Y含量的Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr试验镁合金经480℃×12-16h固溶处理后，合金铸态组织中原有的共晶相几乎全部分解，且在晶界处出现呈断续网络分布的片层状和块状Mg12(Gd,Y,Zn)相（LPSO结构相），而晶内则出现了贯穿整个晶粒的针状LPSO结构相，并在其周围弥散分布着大量方块状的MgRE相。此外，不同Y含量的试验合金进一步经200℃×24h时效处理后，合金组织中析出大量弥散分布的β′相，且晶界处的块状LPSO结构相逐渐分解并向片层状转变，同时晶内针状LPSO结构相几乎消失和MgRE相的数量减少。　　4）固溶处理可明显提高不同Y含量Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr试验镁合金的室温拉伸性能，并且随着Y含量的增加，试验合金的室温拉伸性能改善越明显。在不同Y含量的试验镁合金中，以2.4wt.%Y试验合金固溶处理（480℃×16h）后具有相对较佳的综合力学性能，其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了229.0MPa、183.9MPa和9.7%，较铸态合金分别提高了3.3%、17.7%和36.6%。　　5）时效处理可明显提高不同Y含量Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr试验镁合金的室温抗拉强度，但却使室温屈服强度和延伸率显著下降。在不同Y含量的试验镁合金中，以2.4wt.%Y试验合金时效处理（480℃×16h+200℃×24h）后的抗拉强度最高（290.6MPa），但其屈服强度和延伸率却分别只达到了177.9MPa和3.2%，而含2.0wt.%Y试验合金时效处理（480℃×16h+200℃×24h）后虽然获得了最高的延伸率（5.2%）和较高的屈服强度（213.8MPa），但其抗拉强度却只有278.4MPa。

目录

声明

1 绪论

1.1 镁合金的特点及其应用

1.1.1 镁合金的特点

1.1.2 镁合金的应用

1.2 镁合金的强化机制

1.3 Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金的研究现状

1.3.1 稀土镁合金的发展

1.3.2 Mg-Y系和Mg-Gd系镁合金的研究

1.3.3 Mg-Gd-(Y)-Zn系镁合金的研究

1.3.4 Mg-Gd-Y系镁合金时效析出行为的研究

1.4 本文的研究目的及意义

1.5 本文的研究内容

2 实验材料及方法

2.1 实验研究思路

2.2 试验镁合金的成分设计

2.3 试验镁合金的熔炼制备

2.3.1 实验原材料

2.3.2 试验镁合金的熔炼

2.4 试验镁合金的热处理工艺

2.5 组织和性能检测方法

2.5.1 DSC分析

2.5.2 金相分析

2.5.3 SEM及EDS分析

2.5.4 XRD物相分析

2.5.5 显微硬度测试

2.5.6 室温拉伸力学性能测试

3 结果与分析

3.1 Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金的铸态显微组织和力学性能

3.1.1 Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金的铸态显微组织

3.1.2 Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金的铸态力学性能

3.1.3 Y对Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金铸态力学性能的影响分析

3 . 2 固溶处理对铸造Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响

3.2.1 固溶温度对显微组织的影响

3.2.2 固溶时间对显微组织的影响

3.2.3 Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金固溶处理后的室温拉伸力学性能

3.2.4 固溶处理对Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金力学性能的影响分析

3.3 时效处理对铸造Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金显微组织和力学性能的影响

3.3.1 时效温度对显微组织的影响

3.3.2 时效时间对显微组织的影响

3.3.3 Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金时效处理后的室温拉伸力学性能

3.3.4 时效处理对Mg-10Gd-xY-1.0Zn-0.5Zr镁合金力学性能的影响分析

4 结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果