發(fā)布時(shí)間：2018-08-29 13:08

【摘要】：Mg-Zn-Gd系稀土鎂合金具有良好的室溫力學(xué)性能和優(yōu)良的高溫抗蠕變性能,受到航空航天、軍工及汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注,是目前最具發(fā)展前景的耐熱鎂合金之一。盡管人們?cè)谔岣進(jìn)g-Zn-Gd系鎂合金性能方面進(jìn)行了卓有成效的工作,但依然對(duì)Mg-Zn-Gd系的凝固特性、凝固組織控制,以及凝固組織特性與力學(xué)性能之間的關(guān)系等缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和系統(tǒng)的研究。本文以Mg-Zn-Gd系鎂合金為對(duì)象,首先采用定向凝固技術(shù),系統(tǒng)地研究了稀土元素Gd含量、溫度梯度、生長(zhǎng)速度等對(duì)Mg-Gd二元合金和Mg-Zn-Gd三元合金凝固組織及室溫力學(xué)性能的影響規(guī)律;隨后,采用自由凝固方法,研究了不同冷卻速度和合金成分的Mg-Zn-Gd三元合金自由凝固路徑,建立了三元合金自由凝固路徑預(yù)測(cè)模型;最后,設(shè)計(jì)和制備了Mg-5.5Zn-2.0Gd-0.6Zr(wt%)砂型鑄造鎂合金,探討了熱處理過(guò)程中合金的微觀組織及力學(xué)性能的演變規(guī)律,并對(duì)合金的強(qiáng)韌化機(jī)理進(jìn)行了分析。本文的主要結(jié)論如下:(1)提出了修正的Yokoyama自擴(kuò)散系數(shù)模型,計(jì)算確定了Mg、Zn、Gd、Al、Si等純金屬元素的自擴(kuò)散系數(shù),發(fā)現(xiàn)其更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。建立了多元合金的溶質(zhì)液相擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型,通過(guò)對(duì)Al-Si-Mg、Al-Cu-Mg和Al-Fe-Ni合金的溶質(zhì)液相擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,證明本文模型合理可信,并由此確定了Mg-5.5Zn-2.0Gd(wt%)合金的溶質(zhì)液相擴(kuò)散系數(shù)值。(2)研究了Mg-xGd(x=1.38,2.35,4.38 wt%)合金在不同凝條件下的凝固組織演化特征。結(jié)果表明,在寬抽拉速度(10-200μm/s)范圍內(nèi),Mg-1.38Gd和Mg-2.35Gd合金的凝固組織均為胞晶形貌,合金沒(méi)有在Kurz-Fisher模型計(jì)算的胞-枝轉(zhuǎn)變臨界生長(zhǎng)速度(vc-d)附近出現(xiàn)枝晶組織。分析發(fā)現(xiàn),這與合金濃度較低和溫度梯度較高有關(guān)。對(duì)于Gd含量較高的Mg-4.38Gd合金,當(dāng)v=100~200μm/s時(shí),合金中出現(xiàn)了枝晶組織。此外,通過(guò)非線性擬合,確定了Mg-xGd合金在G=20~30K/mm和v=10~200μm/s條件下胞晶間距(λ)和生長(zhǎng)參數(shù)(G、v)之間的定量關(guān)系式。對(duì)比發(fā)現(xiàn),λ的測(cè)量值與Trivedi模型的預(yù)測(cè)值一致。(3)確定了Mg-xGd(x=1.38,2.35,4.38 wt%)合金的凝固組織構(gòu)成及微觀偏析行為,對(duì)比發(fā)現(xiàn),這與使用Scheil模型預(yù)測(cè)Mg-Gd二元合金的凝固路徑和微觀偏析一致。此外,力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)表明,在相同冷卻速率條件下,Mg-2.35Gd合金定向凝固試樣的室溫抗拉性能明顯高于自由凝固試樣。定向凝固參數(shù)對(duì)Mg-Gd合金的室溫力學(xué)性能有顯著影響,隨著生長(zhǎng)速率和溫度梯度的增大,合金抗拉性能逐漸提高,塑性逐漸降低。(4)首次開(kāi)展了Mg-5.5Zn-xGd(x=0,0.8,2.0,4.0wt%)合金在不同凝固條件下的凝固組織變化演化研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著溶質(zhì)Gd含量的增加,合金的胞-枝轉(zhuǎn)變臨界生長(zhǎng)速度(vc-d)有降低趨勢(shì)。此外,使用非線性擬合方法獲得了合金枝晶間距(λ1,λ2)和生長(zhǎng)速度(v)之間的關(guān)系式。λ1和λ2均隨v呈指數(shù)關(guān)系降低,所得指數(shù)分別與理論模型預(yù)測(cè)值1/4和1/3接近。(5)研究了不同凝固參數(shù)下Mg-5.5Zn-xGd(x=0,0.8,2.0,4.0 wt%)合金的室溫力學(xué)性能變化規(guī)律。當(dāng)合金成分一定時(shí),其抗拉強(qiáng)度隨著生長(zhǎng)速度的增大而增大;當(dāng)生長(zhǎng)速度相同時(shí),其抗拉強(qiáng)度隨Gd含量的增大呈先增大后降低的規(guī)律。對(duì)比發(fā)現(xiàn),Mg-5.5Zn-2Gd合金的室溫抗拉強(qiáng)度最優(yōu)。(6)研究了Mg-5.5Zn-2.0Gd(wt%)合金的自由凝固路徑。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)冷卻速率小于等于0.75K/s時(shí),合金首先生成的共晶為α(Mg)+W(Mg_3Zn_3Gd_2);當(dāng)冷卻速率大于等于7.71K/s時(shí),合金首先生成的共晶為α(Mg)+I(Mg_3Zn_6Gd)。建立了綜合考慮合金液相擴(kuò)散和冷卻速率因素的多元合金自由凝固路徑計(jì)算模型,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。計(jì)算及實(shí)驗(yàn)表明,Mg-Zn-Gd合金中Zn含量越高,冷卻速率越大,越趨于形成I(Mg_3Zn_6Gd)相。反之,Gd含量越高,冷卻速率越低,將更易于形成W(Mg3Gd2Zn3)相。力學(xué)性能表明,Mg-5.5Zn-2.0Gd合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率均隨冷卻速度的提高而增強(qiáng),其拉伸斷口由冷卻速度較低條件下的沿晶斷裂特征轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s速度較高時(shí)的穿晶斷裂特征。分析發(fā)現(xiàn),合金強(qiáng)度的提高除了晶粒細(xì)化的作用外,更多準(zhǔn)晶I(Mg_3Zn_6Gd)相的形成對(duì)合金強(qiáng)度也起到了進(jìn)一步增強(qiáng)的作用。(7)設(shè)計(jì)和制備了Mg-5.5Zn-2.0Gd-0.6Zr(wt%)砂型鑄造鎂合金,系統(tǒng)研究了合金在熱處理過(guò)程中的組織及力學(xué)性能演化規(guī)律。合金鑄態(tài)組織由α(Mg)、晶界α(Mg)+W(Mg_3Zn_3Gd_2)共晶和晶內(nèi)的I(Mg_3Zn_6Gd)、Mg3Gd及α(Zr)相組成。固溶處理后,原鑄態(tài)組織中α(Mg)+W(Mg_3Zn_3Gd_2)共晶大部分消失,殘留W(Mg_3Zn_3Gd_2)相呈斷續(xù)狀分布。同時(shí),合金基體內(nèi)有棒狀Zn2Zr3相形成。經(jīng)T6熱處理后,合金基體內(nèi)有棒狀β1′相和盤(pán)狀β2′相析出。對(duì)合金室溫強(qiáng)化機(jī)制分析表明,由于固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化的綜合作用,合金的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度由鑄態(tài)的189 MPa和98 MPa提高至T6態(tài)的280 MPa和175 MPa。較ZK51A工業(yè)合金,實(shí)驗(yàn)合金T6態(tài)的室溫抗拉強(qiáng)度提高了14.29%,屈服強(qiáng)度提高了26.81%。同時(shí),實(shí)驗(yàn)合金的高溫力學(xué)性能明顯優(yōu)于ZK51A工業(yè)鎂合金。
[Abstract]:Mg-Zn-Gd rare earth magnesium alloys have good mechanical properties at room temperature and excellent creep resistance at high temperature. They have attracted great attention in aerospace, military and automotive industries. They are one of the most promising heat-resistant magnesium alloys at present. The solidification characteristics, microstructure control and the relationship between microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Gd alloys are still poorly understood and systematically studied in this paper. Secondly, the free solidification paths of Mg-Zn-Gd ternary alloys with different cooling rates and alloy compositions were studied by free solidification method, and the prediction model of the free solidification paths of Mg-5.5Zn-2.0Gd-0.6Zr (w) ternary alloys was established. Finally, the free solidification paths of Mg-5.5Zn-2.0Gd-0.6Zr (w) were designed and prepared. The main conclusions are as follows: (1) A modified Yokoyama self-diffusion coefficient model is proposed, and the self-diffusion coefficients of pure metal elements such as Mg, Zn, Gd, Al, Si are calculated and determined. The calculation model of solute liquid diffusion coefficients of multicomponent alloys is established. By calculating the solute liquid diffusion coefficients of Al-Si-Mg, Al-Cu-Mg and Al-Fe-Ni alloys, it is found that the calculated results are in good agreement with the experimental values, which proves that the model is reasonable and credible, and the solute liquid phase of Mg-5.5Zn-2.0Gd (wt%) alloy is determined. (2) The microstructure evolution of Mg-xGd (x=1.38, 2.35, 4.38 wt%) alloy under different solidification conditions was studied. The results show that the solidified microstructure of Mg-1.38 Gd and Mg-2.35 Gd alloys is cellular morphology in the wide pull-out rate range (10-200 micron/s), and the critical growth rate of CELL-DENDRITE transition calculated by Kurz-Fisher model is not found. Dendritic structure appears near vc-d. It is found that this is related to the lower alloy concentration and higher temperature gradient. For Mg-4.38G D alloy with higher G D content, dendritic structure appears in the alloy when v=100~200 micron/s. In addition, the intercellular spacing (lambda) and the growth of Mg-xGd alloy at the conditions of G=20~30K/mm and v=10~200 micron/s are determined by nonlinear fitting. The quantitative relationship between the long parameters (G, v) is found to be consistent with the predicted values of Trivedi model. (3) The solidification microstructure and micro-segregation behavior of Mg-xGd (x = 1.38, 2.35, 4.38 wt%) alloy are determined. The results show that the predicted solidification path and micro-segregation behavior of Mg-Gd binary alloy are consistent with those of Scheil model. Experimental results show that the tensile properties of directionally solidified Mg-2.35Gd alloy at room temperature are significantly higher than those of freely solidified Mg-2.35Gd alloy at the same cooling rate. (4) The evolution of solidification microstructure of Mg-5.5Zn-xGd (x=0,0.8,2.0,4.0wt%) alloy under different solidification conditions was studied for the first time. It was found that the critical growth rate of CELL-DENDRITE transition (vc-d) decreased with the increase of solute Gd content. (5) The mechanical properties of Mg-5.5Zn-xGd (x=0,0.8,2.0,4.0 wt%) alloy at room temperature were studied under different solidification parameters. The tensile strength of Mg-5.5Zn-xGd alloy increased with the growth rate when the alloy composition was constant. The tensile strength of Mg-5.5Zn-2Gd alloy increases at first and then decreases with the increase of Gd content at the same growth rate. It is found that the tensile strength of Mg-5.5Zn-2Gd alloy is the best at room temperature. (6) The free solidification path of Mg-5.5Zn-2.0Gd (wt%) alloy is studied. When the cooling rate is greater than or equal to 7.71K/s, the eutectic phase of the alloy is alpha(Mg)+I(Mg_3Zn_6Gd). A computational model for the free solidification path of multi-component alloy is established, which takes into account the factors of liquid diffusion and cooling rate. The calculated results are in good agreement with the experimental results. On the contrary, the higher the content of Gd and the lower the cooling rate, the easier W (Mg3Gd2Zn3) phase will be formed. The mechanical properties show that the tensile strength, yield strength and elongation of Mg-5.5Zn-2.0Gd alloy increase with the increase of cooling rate, and the tensile fracture surface of Mg-5.5Zn-2.0Gd alloy increases with the increase of cooling rate. The intergranular fracture characteristics under the alloy changed to transgranular fracture characteristics at higher cooling rate. It was found that besides grain refinement, the formation of more quasicrystalline I (Mg_3Zn_6Gd) phase enhanced the strength of the alloy. (7) Mg-5.5Zn-2.0Gd-0.6Zr (wt%) sand mold casting magnesium alloy was designed and prepared. The microstructure and mechanical properties of the alloy during heat treatment have been studied systematically. The as-cast microstructure of the alloy consists of a (Mg), a (Mg) + W (Mg_3Zn_3Gd_2) eutectic at grain boundary and I (Mg_3Zn_6Gd), Mg3Gd and a (Zr) phase in the crystal. After solution treatment, the eutectic of a (Mg) + W (Mg_3Zn_3Gd_2) in the as-cast microstructure disappears mostly and the residual W (Mg_3Zn_3Gd_2) phase disappears. At the same time, the rod-like Zn_2Zr_3 phase is formed in the alloy matrix. After T6 heat treatment, the rod-like beta_1'phase and the disc-like beta_2' phase precipitate in the alloy matrix. The analysis of the strengthening mechanism at room temperature shows that the tensile strength and yield strength of the alloy at room temperature are 189 MPa and 98 M due to the combination of solution strengthening and aging strengthening. Compared with ZK51A industrial alloy, the tensile strength at room temperature and yield strength of T6 alloy are increased by 14.29% and 26.81% respectively. Meanwhile, the high temperature mechanical properties of the alloy are obviously better than those of ZK51A industrial alloy.
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.22

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本文編號(hào)：2211303