Mg-Y-Ca(-Ce)系阻燃變形鎂合金組織與性能研究.pdf

1、本文將通過聯(lián)合添加Y、Ca、Ce等元素來綜合提高鎂合金的燃點(diǎn)和變形能力，目標(biāo)是研發(fā)出一種安全、高性能的變形鎂合金，以拓寬鎂合金在商用飛機(jī)、高速列車和汽車等方面的應(yīng)用。論文首先設(shè)計(jì)多組二元Mg-Y、三元Mg-Y-Ca和四元Mg-Y-Ca-Ce合金，利用自制的燃點(diǎn)測(cè)試裝置測(cè)定不同Y、Ca和Ce含量的鎂合金燃點(diǎn)，優(yōu)化確定燃點(diǎn)高于800℃的各個(gè)合金體系的成分范圍，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)等分析方法研究合金氧化膜的組織

2、結(jié)構(gòu)，結(jié)合氧化熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析確定合金的氧化阻燃機(jī)理；然后對(duì)于部分燃點(diǎn)超過800℃的鎂合金實(shí)施擠壓變形，采用透射電子顯微鏡(TEM)、背散射電子衍射技術(shù)（EBSD）等手段系統(tǒng)研究了擠壓溫度、擠壓比、合金元素含量對(duì)擠壓合金的微觀組織、織構(gòu)和力學(xué)性能等的影響規(guī)律，優(yōu)化出延伸率高于25％的鎂合金成分范圍；最后利用TEM和EBSD等詳細(xì)研究了燃點(diǎn)高于800℃、延伸率高于25%的阻燃型變形鎂合金在室溫拉伸變形過程中織構(gòu)、孿生與位錯(cuò)的演變規(guī)律，揭

3、示高塑性合金的變形機(jī)制。
　　二元Mg-Y、三元Mg-Y-Ca和四元Mg-Y-Ca-Ce鎂合金的燃點(diǎn)測(cè)試和氧化阻燃機(jī)理研究結(jié)果表明，添加Y和Ca元素均具有很好的阻燃效果。純鎂中添加3wt.%Y后，其燃點(diǎn)從660℃提高到818℃，Y添加量高于3wt.%后合金燃點(diǎn)的提高幅度降低；在Mg-xY(-0.2Ce)(x=3,4,5)合金中添加少量的Ca就可更顯著地提高其燃點(diǎn)，當(dāng)Ca添加量超過0.5wt.%時(shí)，Mg-xY-Ca(-0.2Ce)合

4、金具有非常好的阻燃性能，可在950℃的溫度下保溫30min合金不燃燒；添加少量的Ce元素對(duì)Mg-Y-Ca合金的燃點(diǎn)沒有顯著的影響。Mg-3Y-0.8Ca-0.2Ce合金的高溫氧化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AZ31合金，450℃、500℃和550℃溫度下合金氧化動(dòng)力學(xué)曲線符合近似拋物線規(guī)律；熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明Y元素的活性明顯高于Mg和Ca，合金中的富Y區(qū)為其優(yōu)先氧化的通道；合金氧化膜由MgO、Y2O3和CaO組成，其中Y2O3對(duì)氧化膜的致密性貢獻(xiàn)最大。

5、
　　二元Mg-Y、三元Mg-Y-Ca和四元Mg-Y-Ca-Ce鎂合金的擠壓變形組織、織構(gòu)及力學(xué)性能的研究結(jié)果表明，添加Y和Ca元素能很好地改善鎂合金的塑性和強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨擠壓溫度升高，Mg-5Y-0.3Ca、Mg-3Y-0.5Ca和Mg-3Y-0.5Ca-0.2Ce合金再結(jié)晶晶粒尺寸增加，室溫拉伸強(qiáng)度降低，最優(yōu)的擠壓溫度為350℃；隨擠壓比增加，Mg-3Y-0.3Ca和Mg-4Y-0.8Ca-0.2Ce合金室溫拉伸強(qiáng)度和延

6、伸率在擠壓比為20時(shí)最高。優(yōu)化的擠壓溫度為350℃和擠壓比為20。Mg-3Y-0.3Ca合金的擠壓織構(gòu)類型為;4223//ED非基面織構(gòu)。在擠壓溫度為350℃和擠壓比為20的條件下，Mg-xY二元合金的擠壓組織均為完全再結(jié)晶組織，織構(gòu)類型為非基面織構(gòu)，但當(dāng)Y含量從1.5wt.%增加到6wt.%時(shí)，合金室溫抗拉強(qiáng)度增加，延伸率先增加后降低。優(yōu)化的超高塑性 Mg-3Y合金的延伸率達(dá)40.9%，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為185.5MPa和101

7、.4MPa。Mg-xY-0.8Ca-0.2Ce(x=3,4,5)四元合金的擠壓組織均由細(xì)小的再結(jié)晶晶粒和彌散分布的第二相組成，當(dāng) Y含量從3wt.%增加到6wt.%時(shí)，再結(jié)晶晶粒平均尺寸大小變化不大，約7μm，抗拉強(qiáng)度從235.3MPa增加到266.5MPa，而延伸率則從18.9%降低到13.9%。Ca的添加會(huì)增加合金中第二相的顆粒的數(shù)量和密度，提高合金的強(qiáng)度，降低合金的塑性。Mg-3Y-0.5Ca合金較Mg-3Y合金強(qiáng)度增加，延伸率下

8、降至28.8%，Mg-4Y-0.9Ca合金較Mg-4Y-0.5Ca合金強(qiáng)度增加，延伸率從23.3%下降到16.2%。優(yōu)化的高塑性中強(qiáng)Mg-3Y-0.5Ca合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為128.8MPa、214.8MPa和28.8%，綜合力學(xué)性能接近AZ31合金。
　　Mg-Y-Ca-Ce系合金的相演變規(guī)律研究結(jié)果表明，二元Mg-3Y合金中的第二相主要為含Y的塊狀相，包括Mg24Y5、Mg2Y和YH2；Mg-3Y-0.5Ca

9、合金中除了塊狀相，還有大量Mg2Ca。Mg2Y顆粒尺寸較大，因應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋。Mg2Ca相在鑄態(tài)時(shí)呈骨骼狀，與基體沒有固定的位向關(guān)系；而擠壓前預(yù)熱過程中有大量桿狀和片狀納米Mg2Ca沿基面析出，與基體存在兩種位向關(guān)系；擠壓后Mg2Ca彌散分布在晶內(nèi)和晶界，部分Mg2Ca與基體保持原有位向關(guān)系，彌散分布的Mg2Ca顆粒有析出強(qiáng)化作用，但是降低了合金的塑性。
　　超高塑性擠壓 Mg-3Y合金的室溫變形機(jī)理研究結(jié)果表明，基面滑移、

10、孿生、及基體和孿晶中的非基面滑移等協(xié)同變形機(jī)制是合金獲得高延伸率的主要原因。合金的初始織構(gòu)為;4223;//ED。隨著拉伸變形量增加到4%時(shí)織構(gòu)先轉(zhuǎn)變?yōu)閠;2112;//ED織構(gòu)，增加到16%時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榻橛?4223;//ED與;2111t;//ED之間的織構(gòu)，再增加到32%時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?01//ED織構(gòu)和;211;//ED次織構(gòu)。擠壓 Mg-3Y合金在沿?cái)D壓方向拉伸時(shí)大部分孿晶為{1012}拉伸孿晶，孿晶分?jǐn)?shù)隨變形量的增加而增加，拉伸孿晶的

11、發(fā)生及長(zhǎng)大合并使織構(gòu)取向轉(zhuǎn)向不利于基面滑移開動(dòng)的方向。隨變形量增加，合金中也觀察到{1011}壓縮孿晶、{1011}-{1012}二次以及與基體位向差呈70°的三次孿晶，這些孿晶使晶粒轉(zhuǎn)向有利于基面滑移，但是由于數(shù)量較少，對(duì)織構(gòu)的影響也很微弱。擠壓 Mg-3Y在沿室溫拉伸變形過程中，合金的初始取向最有利于基面滑移啟動(dòng)，在接近lt;4223gt;取向的晶粒內(nèi)部?jī)?yōu)先發(fā)生基面滑移的基面滑移，進(jìn)而誘導(dǎo)孿生的發(fā)生。隨拉伸變形量增大，在基體和孿晶中

12、出現(xiàn)了非基面滑移，增加了合金的變形能力。
　　高塑性中等強(qiáng)度擠壓Mg-3Y-0.5Ca合金的室溫變形機(jī)理研究結(jié)果表明，基面滑移、非基面滑移、孿生、第二相協(xié)同變形是合金獲得中等強(qiáng)度較高塑性的主要原因。擠壓Mg-3Y-0.5Ca合金的初始織構(gòu)主要是lt;4223gt;//ED與t;3122gt;//ED，隨沿?cái)D壓方向拉伸變形量的增加，織構(gòu)演變規(guī)律類似于Mg-3Y合金，拉伸至16%時(shí)，主要的織構(gòu)類型為lt;1010gt;//ED。合金中