Mg-Zn-Y(-Gd)鎂合金凝固組織與性能的研究.pdf

1、鎂合金是目前工程中質(zhì)量最輕的金屬材料，具有良好的電磁屏蔽性、減震性、導(dǎo)熱及導(dǎo)電性。但是，鑄態(tài)鎂合金力學(xué)、耐腐蝕以及耐高溫性能不足、加工成本略高等制約了鎂合金的廣泛應(yīng)用。因此，如何利用鎂合金性能優(yōu)勢(shì)、彌補(bǔ)不足、拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域成為當(dāng)前鎂合金研究的焦點(diǎn)。為此，本文以Mg-Zn-Y(-Gd)鎂合金體系為研究對(duì)象，采用近平衡態(tài)凝固方法制備了不同Zn/RE原子比的Mg-Zn-Y(-Gd)鎂合金，獲得了二十面體準(zhǔn)晶相(Icosahedral q

2、uasicrystal phase,簡(jiǎn)稱I相)、Mg3Zn3Y2(W)相和長(zhǎng)周期堆垛有序結(jié)構(gòu)相(Long period stacking ordered structure phase,簡(jiǎn)稱LPSO結(jié)構(gòu)相)增強(qiáng)稀土鎂合金。采用OM、SEM、EDS、XRD、TEM和SAED等分析方法對(duì)合金中第二相進(jìn)行表征，并探討了I相和LPSO相的形成機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，建立了I相體積分?jǐn)?shù)與合金凝固冷速之間的關(guān)系，確定了凝固冷速與合金耐蝕性之間的關(guān)系，揭示

3、了I相增強(qiáng)Mg-Zn-Y鎂合金耐腐蝕機(jī)理；解釋了LPSO增強(qiáng)Mg-Zn-Y(-Gd)鎂合金凝固過程，系統(tǒng)地分析了Y和Gd聯(lián)合作用對(duì)LPSO相形成的影響，討論并掲示了鑄態(tài)LPSO增強(qiáng)Mg-Zn-Y(-Gd)鎂合金強(qiáng)化機(jī)制、耐腐蝕機(jī)制和導(dǎo)熱機(jī)制；討論并掲示了LPSO增強(qiáng)Mg-Zn-Y(-Gd)鎂合金塑性變形機(jī)制。
　　常規(guī)凝固高Zn/RE原子比Mg68Zn29Y3和Mg68Zn28Y4鎂合金均可自生I相，形成準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金。Mg68Z

4、n28Y4合金的I相直接從熔體中形核、長(zhǎng)大，而Mg68Zn29Y3合金由熔體中首先形成W相，進(jìn)而通過包晶反應(yīng)生成I相。冷卻速度對(duì)I相的形成、尺寸、體積分?jǐn)?shù)及分布影響顯著，I相表現(xiàn)出形貌多樣性特點(diǎn)。采用實(shí)驗(yàn)和模擬方法分析了冷卻速度對(duì)鑄態(tài)Mg68Zn29Y3鎂合金凝固組織、I相體積分?jǐn)?shù)和分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)，冷速較快時(shí)，合金動(dòng)力學(xué)過冷度大、形核率高，從而促進(jìn)準(zhǔn)晶相形核并以小平面方式生長(zhǎng)；而冷速下降將導(dǎo)致I相形核率降低，I相由細(xì)小彌散演變?yōu)榇?/p>

5、大碎化，并在準(zhǔn)晶“一次分枝”周圍形成“二次分枝”。在模擬海洋環(huán)境腐蝕實(shí)驗(yàn)中，I相表現(xiàn)出了較高的耐腐蝕性。鑄態(tài)Mg68Zn28Y4鎂合金浸蝕30小時(shí)后的自腐蝕電流密度較未腐蝕的Mg68Zn32鎂合金降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到6.0×10-5A/cm2，腐蝕電位為-1.35V。雖然，高Zn含量能夠促使Mg-Zn-Y系鎂合金獲得微米級(jí)大尺寸準(zhǔn)晶增強(qiáng)相，并由于準(zhǔn)晶的耐腐蝕性強(qiáng)而提高合金耐腐蝕能力。但是，高電位差造成合金中基體和固溶體相作為陽極而加速

6、腐蝕進(jìn)程。此外，微米級(jí)準(zhǔn)晶相與基體之間形成的高值應(yīng)力，使鎂合金脆性提高，并易于形成應(yīng)力腐蝕開裂。低Mg、高Zn/RE比鎂合金并不適用于工程材料，但此研究結(jié)果明確了準(zhǔn)晶相的形成條件、形成過程及耐腐蝕性能，為設(shè)計(jì)適用于工程用準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金提供依據(jù)。
　　低Zn/RE比(Zn/RE=1)下，采用常規(guī)凝固技術(shù)在Mg92Zn4YxGd4-x(x=4,3,2,1,at％)和Mg94Zn3YxGd3-x(x=3,2,1.5,1,at%)合金中獲

7、得了穩(wěn)定的14H-LPSO相。二維空間中，Mg92Zn4YxGd4-x(x=4,3)和Mg94Zn3YxGd3-x(x=3,2，1.5，1)合金中的LPSO相以平行線狀方式生長(zhǎng)。鑄態(tài)Mg-Zn-Y(-Gd)合金由于固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化共同作用表現(xiàn)出良好的壓縮力學(xué)性能，即隨LPSO體積分?jǐn)?shù)增加，合金的壓縮力學(xué)性能越好。而鑄態(tài)Mg-Zn-Y(-Gd)合金的耐腐蝕性隨Zn和Gd含量增加而變差。當(dāng)Gd≤1at.%時(shí)，Mg-Zn-Y(-

8、Gd)合金表現(xiàn)出良好的耐蝕性，而Gd＞1.5at.%時(shí)合金的耐腐蝕能力下降。Mg94Zn3YxGd3-x鎂合金耐腐蝕能力優(yōu)于Mg92Zn4YxGd4-x鎂合金。其中Mg94Zn3Y3的耐腐蝕性最好，自腐蝕電流密度為3.988×10-5A/cm2，腐蝕電位為-1.524V，其耐腐蝕性優(yōu)于商用AZ91D鎂合金。由電化學(xué)阻抗譜結(jié)合ZSimpWin軟件擬合出LPSO增強(qiáng)Mg-Zn-Y(-Gd)鎂合金電化學(xué)腐蝕等效電路為R(Q(R(QR)))。鑄

9、態(tài)Mg-Zn-Y(-Gd)合金導(dǎo)熱機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，合金的導(dǎo)熱性能主要受位錯(cuò)散射和界面散射影響，伴隨各相分布狀態(tài)和體積分?jǐn)?shù)、微觀結(jié)構(gòu)、界面形態(tài)以及溶質(zhì)元素等影響。LPSO結(jié)構(gòu)相的堆垛層錯(cuò)和大量晶界阻礙了聲子在其內(nèi)部以及晶界處的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，降低了鎂合金的熱導(dǎo)性。
　　鑄態(tài)Mg92Zn4Y4和Mg92Zn4Y3Gd1鎂合金經(jīng)500℃/12h均勻化處理后偏析現(xiàn)象消除。均勻化處理態(tài)Mg92Zn4Y3Gd1鎂合金的α-Mg基體中析出大量線狀14H

10、-LPSO結(jié)構(gòu)相。后經(jīng)300℃、340℃、370℃和400℃的正擠壓，擠壓比為9:1，獲得了14H-LPSO增強(qiáng)細(xì)晶鎂合金。不同擠壓溫度下，Mg92Zn4Y3Gd1合金的擠壓織構(gòu)以{0001}面平行于擠壓方向?yàn)橹?。Y降低了基面織構(gòu)組分，并促使Mg92Zn4Y4合金{11-21}棱錐面滑移系啟動(dòng)。合金的室溫和高溫力學(xué)性能受擠壓前后組織、織構(gòu)類型、W相和LPSO增強(qiáng)相分布、合金元素的影響。擠壓態(tài)Mg92Zn4Y4合金室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到409.