高性能Mg-RE-TM系镁合金中LPSO相和沉淀硬化相的复合强韧化研究

摘要

轻质高强韧镁合金是航空航天、国防军工及现代工业发展中紧迫的轻量化材料需求之一，对缓解我国资源短缺、能源危机和环境污染的意义重大。含长周期堆垛有序相（LPSO相）和沉淀硬化相的Mg-RE-TM是目前性能最好的高强镁合金体系，其强度在500MPa以上，已基本达到商用高强铝合金的强度，但延伸率却普遍偏低（通常在5％以下），无法满足作为关键承力构件的工程应用。如何利用有效的强韧化途径，解决高强镁合金强度塑性不可兼得的矛盾，已成为一个亟待解决的科学难题。如要设计出高强高韧Mg-RE-TM镁合金，则必须澄清该合金的强韧化机制，掌握强度塑性的变化规律，为最终的合金设计与应用提供理论指导。　　针对这一现状，作者将合金中的起主要强化作用的第二相（LPSO相和沉淀硬化相）完全独立出来，设计出只含 LPSO相和只含沉淀硬化相的合金，然后综合考虑这两种相的影响，设计出含 LPSO相和沉淀相的多相复合合金，最终揭示合金的强韧化机制。　　本文首先研究了Mg-RE单一沉淀硬化相镁合金的强韧化规律。结果表明，在可形成沉淀硬化相的不同RE元素里，Gd和Y元素的时效效果较好，Y含量在RE总量2.0at.%以上才有时效效果，而Gd含量在1.6at.%以上则有时效效果。在此基础上设计出的Mg-1.2at.%Gd-1.0at.%Y，抗拉强度400MPa，延伸率超过9%，综合力学性能优异。　　然后，研究了Mg-RE-TM单一LPSO相镁合金的强韧化规律。通过Zn/Y比设计得出该值3/4时合金力学性能最为优异。在保证 Zn/RE不变的基础上，从铸态下形成 LPSO相和通过热处理才能形成 LPSO相的两类合金进行研究，结果发现Mg-Ni-Y镁合金具有最高的抗拉强度，Mg-Zn-Y合金塑性较为优异且综合性能较好。而铸态下无LPSO相的Mg-Gd-Zn合金，经固溶退火工艺处理后，可以在合金中析出大量的层状结构14H型LPSO相，其强度较低，塑性较好。在此基础上设计出的Mg-Gd-Y-Zn合金力学性能优异，抗拉强度达到370MPa，延伸率7%。　　在综合LPSO相和沉淀相强化效果的基础上，设计出了Mg-Gd-Y-Zn合金，并进行Mn微合金化及控制Zn含量，采用固溶退火、挤压和时效工艺后合金强度达到493MPa，延伸率5.5%，综合性能优异。　　随后，研究了在LPSO相和沉淀相强化复合的合金中，改变LPSO相的形态、结构、分布对合金力学性能的影响规律。采用 Ni替换，RE元素调控，热处理调控，微合金化手段调控LPSO相种类、含量、形态，实验结果表明，当LPSO相呈层状形貌时可显著提高合金的强度，而 LPSO相呈块状形貌则对提升合金的塑性有帮助，且层状 LPSO相越致密越细小，合金的强度提升越明显。在此基础上采用感应制得的 GWZM3合金经540℃×4h炉冷退火后的挤压态合金，其抗拉强度400MPa，延伸率12.6%，综合性能优异。　　再次，研究了在LPSO相和沉淀相强化复合的合金中，沉淀析出行为对合金力学性能的影响。结果表明，Mg-RE-TM合金时效后，整体强度均有大幅提升，但塑性下降较为明显。然而，无论 LPSO相的形态结构怎样变化，合金的抗拉强度提升情况大致相同，但塑性变化情况则差异明显。且部分合金在时效时出现了时效平台现象，该现象使得合金在峰时效下塑性下降程度减小，即在一定程度上提高了合金的塑性。　　最后，基于上述研究，结合时效过程中的时效平台现象，发现有时效平台现象的 GWZM3合金，随着时效时间的增加，合金的强度塑性同时提高的现象，并获得抗拉强度538MPa，延伸率10%的性能。在此基础上，从LPSO相与沉淀相的复合强韧化出发，探讨了高强 Mg-RE-TM合金的强韧化机制，认为该高强高韧Mg-RE-TM系镁合金的强韧化机制，为LPSO相、沉淀相和层错三种结构的叠加，并针对Mg-Gd-Y-Zn系合金总结出了设计高强高韧镁合金的基本方法，并提出了自己的见解。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 镁合金的强韧化

1.3 Mg-RE-TM系高强镁合金研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 Mg-RE单一沉淀硬化相镁合金的强韧化规律探索

2.1 Mg-RE单一沉淀相镁合金基本时效行为探索

2.2 Mg-Y合金时效行为的研究

2.3 Mg-Gd合金时效行为的研究

2.4 Mg-Gd-Y合金时效行为研究

2.5 分析与讨论

2.6 本章小结

3 Mg-RE-TM 单一LPSO强化相镁合金的强韧化规律探索

3.1 Zn/Y比值对Mg-Zn-Y合金LPSO相形态及力学性能的影响

3.2 LPSO相含量对Mg-Zn-Y组织和力学行为研究

3.3 铸态下形成LPSO相Mg-Y-TM（TM=Ni、Zn、Cu）合金组织和力学行为研究

3.4 热处理后形成LPSO相的Mg-Gd-Zn镁合金组织和力学行为研究

3.5 混合LPSO相Mg-Gd-Y-Zn镁合金组织和力学行为研究

3.6 分析与讨论

3.7 本章小结

4 含LPSO相和沉淀硬化相Mg-RE-TM系合金设计与力学行

4.1含LPSO相和沉淀硬化相Mg-Gd-Y-Zn镁合金基本行为探索

4.2细化晶粒元素Zr、Mn、Ca对Mg-Gd-Y-Zn系合金组织和力学的影响

4.3 Zn含量对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金组织和力学的影响

4.4 本章小结

5 Mg-RE-TM-Mn合金中LPSO相的调控及力学行为研究

5.1 Zn、Ni含量对Mg-Gd-Y-TM-Mn合金LPSO相结构的影响及力学行为研究

5.2 Gd、Y含量对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金LPSO相形态结构的影响及力学行为研究

5.3 热处理工艺对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金LPSO相形态演化规律及力学行为研究

5.4 微合金化Sn、Al元素对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金LPSO相形态的影响及力学行为研究

5.5 分析与讨论

5.6 本章小结

6 Mg-RE-TM-Mn合金中沉淀相的调控及力学行为研究

6.1 含LPSO相Mg-RE-TM-Mn合金的基本时效行为研究

6.2 双级时效对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金力学行为的影响

6.3 预变形+时效对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金力学行为的影响

6.4 分析与讨论

6.5 本章小结

7 Mg-RE-TM系合金复合强韧化研究

7.1 LPSO相与沉淀相的复合强韧化研究

7.2 200℃时效过程中LPSO相的演变行为

7.3 基于复合强韧化的高强高韧镁合金设计与研究展望

7.4 本章小结

8 结 论

主要结论：

创新点：

致谢

参考文献

附录

A．作者攻读博士学位期间发表的论文

B．作者攻读学位期间的其他科研成果

C．作者在攻读学位期间取得的奖励目录