Mg-Y-Gd-Zn-Zr鎂合金組織、性能及其蠕變行為研究.pdf

1、鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料,具有比重小、比強度、比剛度高、導熱導電性好、阻尼性、切削加工性好等優(yōu)點。近年來人們相繼開發(fā)了Mg-Y-Nd-Zr和Mg-Gd-Y-Zr等新型的高強耐熱鎂合金。隨著Mg-RE合金的研究深入進行,很多研究者通過在合金中加入廉價的Zn來代替部分稀土,也獲得了相近的力學性能。并且還發(fā)現加入少量的zn,不僅可以調控Mg-RE系合金的時效析出組織；而且在適當的加入量和工藝條件下,Mg-RE-Zn系合金還產生

2、了除沉淀相以外的新相或結構,即長周期有序結構(Long Period Stacking Ordered Structure,簡稱LPSO)。該結構使Mg-RE系合金表現出優(yōu)異的室溫和高溫屈服強度、好的延伸率和高的應變速率超塑性。
　　 根據前期Mg-Gd-Y-Zr合金在高強耐熱方面取得的實驗結果,本文考慮在該合金體系的基礎上,通過加入不同含量的Y元素(5-14wt.％)和不同含量的Zn元素(0.5-3wt.％)來研究它的微觀組織

3、和力學行為的關系,并在此基礎上重點研究了Mg-10Y-5Gd-2Zn合金的熱處理工藝、力學性能和高溫蠕變行為。
　　 本文以Mg-(5-14)Y-5Gd-(0-3)Zn-0.5Zr合金為研究對象,采用電感耦合等離子直讀光譜儀(ICP)、光學顯微鏡(OM)、差示掃描量熱儀(DSC)、差熱分析(DTA)、X射線衍射儀(XRD)、帶能譜分析(EDAX)的掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等分析手段,通過硬度、室溫和高溫

4、拉伸及拉伸蠕變性能等,系統(tǒng)地研究了不同Y含量、Zn含量和熱處理工藝對Mg-(5-14)Y-5Gd-(0-3)Zn-0.5Zr合金的顯微組織、力學性能和蠕變性能的影響；探討了合金的強化機制,重點研究了時效析出相結構、長周期結構、形態(tài)、尺寸和分布的演變過程,為高性能稀土鎂合金的進一步開發(fā)和應用提供理論和實踐依據。研究結果如下:
　　 1.通過研究不同Y含量的Mg-(5-14)Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金發(fā)現:當Y=8wt.％時

5、,晶界處開始出現黑色的條狀Mg12ZnY共晶相,并且晶內開始產生精細的條紋狀LPSO結構相。隨著Y含量的增加,晶界上的Mg24(GdYZn)5共晶相、黑色的Mg12ZnY相和晶內的精細條紋LPSO結構相都開始增多。鑄態(tài)Mg-10Y-5Gd-0.5Zr合金主要由a-Mg過飽和固溶體、網狀Mg24(GdY)5共晶相和花瓣狀的Zr核組成。該合金加入不同含量的Zn后,組織發(fā)生了明顯變化。晶內出現了層片狀的精細條紋,隨著Zn含量的增加,晶界上大塊

6、條狀的Mg12ZnY相的數量也增加。鑄態(tài)Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金主要由a-Mg過飽和固溶體,Mg24(GdYZn)5網狀共晶相,Mg12YZn大塊條狀共晶相和晶內的層片狀精細條紋相組成。晶內的層片狀精細條紋是6H'(ABCBCB')類型的LPSO結構；為畸變的6H類型,其a軸和c軸夾角為880°。
　　 2.通過研究Mg-10Y-5Gd-0.5Zr合金在500-550℃和0-48h固溶過程中組織演變規(guī)律,優(yōu)化

7、出了535℃×16h的最優(yōu)固溶工藝。在該工藝條件下,Mg24(GdY)5共晶相完全溶入了a-Mg基體,且晶粒沒有明顯長大。參考不同溫度固溶處理的力學性能,優(yōu)化出Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的最佳固溶工藝也為535℃×16h;而且還發(fā)現該合金在535-545℃固溶過程中,晶界的Mg24(GdYZn)5相全部溶入了基體,但是在晶界上依然殘留著Mg12ZnY相。
　　 3.研究發(fā)現Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Z

8、r合金峰值硬度隨著時效溫度的上升而下降,過時效硬度下降幅度隨著時效溫度提高而加大。根據微觀組織和力學性能的變化,優(yōu)化出225℃2×24h為合金最佳時效工藝。拉伸實驗溫度從室溫升高到250℃的過程中,鑄造T6態(tài)Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金的抗拉強度只發(fā)生了微弱的降低,而當溫度高于250℃時,合金的抗拉強度急劇下降,延伸率大幅度提高。鑄造T6態(tài)Mg-10Y-5Gd-xZn-0.5Zr合金的常溫和高溫抗拉強度都明顯高于WE54

9、合金,高溫抗拉強度尤其明顯,其中Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在250℃和300℃的抗拉強度分別為326MPa和261MPa,遠遠高于同狀態(tài)下的WE54合金。
　　 4.研究還發(fā)現Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在225℃時效24小時后,晶內析出B’相,該相具有底心正交晶體結構(a=0.640nm,b=2.223nm,c=0.521nm),與鎂基體的取向關系為:(100)B'//(2(11)0)a,(0

10、01)B'//(0001)a,[010]B'//[10(1)0]a。峰值時效時橢球形B’相是主要的強化相,對合金的強度貢獻最大。此外,晶界上還殘存著大量塊狀Mg12ZnY相,該相經過時效處理后結構沒有明顯變化；晶內仍然有6H’的LPSO結構相。
　　 5.通過對Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在溫度(200-300℃)和應力(30-120MPa)條件下的高溫蠕變測試發(fā)現,該合金在應力低于80MPa,溫度低于250℃的

11、范圍內,蠕變性能隨溫度的升高下降幅度較少,合金的蠕變性能很好；當溫度高于300℃而應力也高于80MPa時,合金的蠕變性能急劇變壞。對于鑄造T6態(tài)Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金比較適宜的使用溫度不超過300℃,應力不超過80MPa。Y含量在10-12wt.％的合金具有最佳的抗蠕變性能。
　　 6.研究還發(fā)現,Zn元素可以顯著提高Mg-10Y-5Gd-0.5Zr合金的高溫蠕變性能。在300℃/50MPa條件下,鑄造T6

12、態(tài)Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr的蠕變性能最好,穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε min為6.60×10-8s-1,100小時的蠕變應變總量ε100僅為1.76％。合金在250℃和300℃指定應力范圍的應力指數分別為2.3和5.1,在指定應力30MPa和50MPa下的表觀激活能為分別為191.9KJ/mol和216.4KJ/mol。
　　 7.研究發(fā)現,鑄態(tài)Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金經過300℃/50MPa蠕變至穩(wěn)態(tài)階

13、段(100h),晶內的LPSO結構相明顯增多；而且在晶內和晶界還析出了一定量的粗大的平衡B相。晶界上依然存留著Mg12ZnY相。
　　 8.Mg-Y-Gd-Zr合金中加入一定量的Zn后,產生LPSO結構相,對于位錯運動起了很大的阻礙作用。在高溫蠕變過程中,開動非基面位錯。LPSO結構相在位錯的作用下內部發(fā)生了嚴重的晶格畸變,產生彎曲變形,這樣的扭曲嚴重了阻礙了位錯的運動,從而使合金的蠕變性能提高。
　　 9.鑄造T6態(tài)M

14、g-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr合金在300℃/50MPa蠕變至穩(wěn)態(tài)階段(100h),晶內和晶界處析出了一定量的粗大的β相。β析出相與基體界面產生大量錯配位錯,阻礙了位錯運動。在孿晶界和LPSO結構交互作用的位置可以看到,LPSO結構發(fā)生了偏轉,形成了一定的角度。經測量,該角度約為4.1°。
　　 10.Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金的高溫蠕變變形機制為位錯滑移和晶界滑移。晶界上的Mg12ZnY相也起到了釘扎晶界的作用。L