【摘要】：近年來,在Mg-RE-Zn(RE/Zn1)系合金中發(fā)現(xiàn)了長周期有序堆垛(long-period stacking ordered/LPSO)結構相,該相能夠顯著提高鎂合金的室溫塑性,同時適量LPSO結構相的存在也有利于鎂合金阻尼性能的改善。因此,這類合金有望發(fā)展成為新一代高強高韌高阻尼鎂合金。LPSO結構相的形成會消耗RE元素,RE元素的消耗會降低合金的沉淀強化效果。LPSO結構相以(0001)α面為慣習面,沿著011?0α方向具有較大尺度,這種取向決定了LPSO結構相的強化作用遠小于沉淀強化的作用。因此,含LPSO結構相的高強高韌鎂合金設計的關鍵點就是利用LPSO結構相提高合金塑性的同時還具有顯著的沉淀強化效果,這就需要參與和不參與LPSO結構相形成的兩類稀土元素進行相互配合,其中不參與形成LPSO結構相的稀土元素可以對沉淀強化作用進行補充。研究表明:Gd和Y元素會參與形成LPSO結構相,而Nd元素不參與形成LPSO結構相,適量Nd元素的添加可以起到補充沉淀強化的作用。EW75合金屬于一種高強耐熱Mg-Gd-Y-Nd鎂合金,這種合金強度高,但室溫塑性差,同時在熱變形過程中會析出大量的富Y顆粒�；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀,本文設計并系統(tǒng)研究了含有LPSO結構相的新型Mg-7Gd-3Y-1Nd-xZn-0.5Zr(x=0.5、1、2wt.%)合金的組織與性能。三種合金的鑄態(tài)組織都由等軸的α-Mg基體、靠近晶界處α-Mg基體中的針狀結構相及晶界上的共晶組織組成。Zn含量為0.5wt.%時,晶界上不連續(xù)網狀形貌的共晶β相Mg_5(RE,Zn)為面心立方結構,晶格常數(shù)為2.22nm;Zn含量為1和2wt.%時,晶界上骨骼狀形貌的共晶β相(Mg,Zn)_3RE也是面心立方結構,晶格常數(shù)為0.73nm。Zn含量為2wt.%時,在晶界上還出現(xiàn)了一種塊狀14H-LPSO結構相,而靠近晶界處α-Mg基體中的針狀結構相是一種堆垛層錯,在層錯上出現(xiàn)了RE和Zn原子的有序化。研究了均勻化熱處理工藝。首先,在505℃、520℃和535℃下進行了單級均勻化熱處理。在505℃和520℃熱處理32h后發(fā)現(xiàn):Zn含量為0.5wt.%時,晶界上存在著未溶的第二相顆粒;Zn含量為1wt.%時,晶界上仍然存在著未溶的共晶β相;Zn含量為2wt.%時,晶界上出現(xiàn)了粗大的連續(xù)網狀LPSO結構相。在535℃熱處理2h后,在Zn含量為1和2wt.%的組織中發(fā)現(xiàn)(Mg,Zn)_3RE相過燒。其次,研究了雙級均勻化熱處理。第一級均勻化熱處理制度為480℃×24h,均勻化后晶界上的共晶β相Mg_5(RE,Zn)部分回溶,而β相(Mg,Zn)_3RE基本回溶;延長熱處理時間后,微觀組織沒有明顯變化;第二級均勻化熱處理制度為500℃×32h,均勻化后Zn含量為0.5wt.%的微觀組織中由等軸的α-Mg基體構成;Zn含量為1和2wt.%的微觀組織由等軸的α-mg基體及晶界上的塊狀14h-lpso結構相構成。通過研究雙級均勻化熱處理過程中的過燒機理發(fā)現(xiàn):高溫下,zn元素傾向于聚集成相,re元素的不斷擴散導致lpso結構相向富zn相轉變,該富zn相會引起過燒。研究了溫度對14h-lpso結構相形貌的影響發(fā)現(xiàn):溫度越高,re元素在α-mg基體中的固溶度越大,同時zn元素在高溫下容易偏聚在晶界上,從而在晶界上形成塊狀形貌;溫度越低,re元素α-mg基體中的固溶度減小,同時zn元素可以快速擴散進入α-mg基體中,從而有利于在α-mg基體中形成針狀形貌。熱處理初期,14h-lpso結構相在晶界上形核,隨后晶核以針狀形式向α-mg基體中生長,進一步延長熱處理時間針狀14h-lpso結構相靠近晶內一端逐漸回溶,從而使針狀14-lpso結構相的長度由晶內向晶界方向逐漸縮短,最終在晶界上形成塊狀14h-lpso結構相。在后續(xù)組織調控過程中發(fā)現(xiàn):晶界上的塊狀14h-lpso結構相在隨爐冷卻過程中會緩慢分解,分解后產生的zn與re原子的擴散是不同步的,zn原子可以快速擴散進入α-mg基體中參與針狀14h-lpso結構相的形成,而re原子滯留在晶界上并與mg反應形成mg-re相顆粒,隨著晶內針狀14h-lpso結構相的增多,合金的強度逐漸降低,塑性逐漸升高。研究了合金的熱變形行為。塊狀14h-lpso結構相硬度高于α-mg基體,從而使合金的變形抗力增大,變形激活能高達290.39kj/mol,但塊狀14h-lpso結構相也能夠起到誘導動態(tài)再結晶的作用,動態(tài)再結晶激活能僅為29.609kj/mol。針狀14h-lpso結構相的增多使流變應力下降,變形后針狀14h-lpso結構相分布在變形晶粒中。研究了擠壓態(tài)合金的組織和力學性能。隨著zn含量的增加,微觀組織中動態(tài)再結晶晶粒所占比例下降,變形晶粒所占比例升高,織構類型都為(0001)基面織構,最大極密度分別為42.698,3.577和4.935,室溫抗拉強度分別為320mpa、339mpa、346mpa,屈服強度分別為243mpa、268mpa、280mpa;延伸率分別為11%、13%、15%。在zn含量為1wt.%的擠壓態(tài)合金中,預析出針狀14h-lpso結構相的存在使微觀組織中的變形晶粒所占比例大幅度增加,織構類型為{101?0}α非基面織構,室溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為341mpa,284mpa和22%。研究了擠壓態(tài)合金的時效處理。隨著zn含量的增加,沉淀強化效果逐漸減弱;峰時效熱處理后,室溫抗拉強度分別為415mpa、400mpa、390mpa,屈服強度分別為346mpa、351mpa、346mpa,延伸率分別為6%、12%、9.5%;高溫(300℃)抗拉強度分別為297mpa,279mpa和272mpa,延伸率分別為14%,35%和42%。zn含量為1wt.%時,含預析出針狀14h-lpso結構相的擠壓態(tài)合金峰時效后的室溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為400mpa,335mpa和15%;高溫(300℃)抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為281MPa,262MPa和38%。系統(tǒng)研究了峰時效熱處理后的阻尼性能。從室溫阻尼應變譜中發(fā)現(xiàn):應變振幅在10-5~10-4之間時,阻尼值Q~(-1)_(0.5wt.%Zn)Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(1wt.%Zn);應變振幅大于10-4時,阻尼值Q~(-1)_(1wt.%Zn)Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(0.5wt.%Zn)。從高溫(300℃)阻尼應變譜中發(fā)現(xiàn):應變振幅在10-5~10-4之間時,阻尼值Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(1wt.%Zn)Q~(-1)_(0.5wt.%Zn);當應變振幅大于10-4時,阻尼值Q~(-1)_(1wt.%Zn)Q~(-1)_(2wt.%Zn)Q~(-1)_(0.5wt.%Zn)。利用TEM研究了峰時效后的微觀組織結構。沿著11(2|-)0α晶帶軸觀察發(fā)現(xiàn):在時效處理過程中有層錯的出現(xiàn),并且在層錯上有溶質原子的偏聚,同時在層錯附近出現(xiàn)了嚴重的晶格畸變;沿著[0001]α晶帶軸觀察發(fā)現(xiàn)毗鄰沉淀相β′出現(xiàn)了一種棒狀相,該棒狀相中RE元素含量更高,并且這種棒狀相可以細分為若干個相互平行結構單元,而每個結構單元可以看成是由六個原子組成的六邊形相互拼接而成。
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【學位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.22

【參考文獻】

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本文編號：2381670