稀土nd y对mg-6zn-1mn镁合金微合金化效应的分析-effect of rare earth nd y on microalloying of mg - 6zn - 1mn magnesium alloy.docx

中文 中文摘要 重庆大 重庆大学博士学位论文 I I PAGE PAGE VI 摘 要 镁合金具有质轻、高的比强度、良好的导热导电性、阻尼减振、电磁屏蔽等 等优异性能，在交通、电子通讯、航空航天等领域展现了广阔的应用前景，已成 为 21 世纪绿色环保工程材料之一。然而，当前镁合金材料的室温强度相对较低， 耐蚀性能较差，严重限制了其作为结构材料的广泛应用。因此，发展高强高韧并 兼有良好耐蚀性的镁合金材料，就成为当前结构材料前沿领域的热门课题，具有 重要现实意义。 本文基于课题组新近开发的高强 Mg-6Zn-1Mn 镁合金（ZM61），系统研究了 稀土 Nd、Y 对 ZM61 的微合金化效应；并借助铜模铸造快速凝固技术，研究了不 同冷却速率对 ZM61 合金结果和性能影响。利用光学显微镜（OM）、X 射线衍射 分析仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）配置能谱分析仪（EDS）、透射电子显 微镜（TEM）、示差扫描量热仪（DSC）、万能材料试验机、电化学工作站等实验 手段，系统研究了不同稀土 Nd、Y 对 ZM61 系镁合金的微观结构、热稳定性、力 学性能、腐蚀性能等的影响。主要获得了如下结果： (1) 少量稀土 Nd（低于 0.4%）对铸态 ZM61 合金具有明显的细晶作用，随着 Nd 含量继续增加，在晶界上析出粗大第二相颗粒而导致合金的综合力学性能降低。 研究还发现，Nd 对挤压态 ZM61 合金的织构影响较小，其显著影响合金动态再结 晶率。当 Nd 含量较低时，合金经挤压时动态再结晶率较低，主要生成弥散细小的 第二相；随着 Nd 的增加，合金发生完全的动态再结晶，由于在合金晶界上析出粗 大的 T 相，而导致合金综合力学性能下降。 (2) 当稀土 Nd 含量较低时，固溶处理后 ZM61-Nd 合金晶粒尺寸明显减小，大 部分第二相已溶入镁基体中。在随后时效过程中能够析出大量细小弥散的第二相， 起到弥散强化的作用，合金展示了较好的力学性能；随着 Nd 含量的增加，残留基 体中的稀土三元相 T 相随之增加，进而在后续时效处理时，合金析出的第二相会 减少，而导致 ZM61-Nd 系固溶单级时效态镁合金强度降低。透射电子显微镜结果 2证实了 ZM61-Nd 系合金在时效过程中的强化相 MgZn2 以 β1 杆状相和 β 2 盘状相两 1种形式存在。其中 β 1 杆状相与基体的位向关系为：[112?0]Mg ∕∕ [0001]MgZn2 ， (0002)Mg ∕∕ (112?0)MgZn2 ；盘状 β (MgZn )相与基体的位向关系为：[112?0]Mg ∕ 2 2 ∕[101?0] MgZn2，(0002)Mg ∕∕ (0002)MgZn2。而通过添加 Nd，可加速 ZM61 系合金中 盘状 β (MgZn )相的析出，且随着时效时间的延长，合金中部分杆状 β (MgZn )相 2 2 1 2 会向盘状 β2(MgZn2)相发生转变。 (3) 研究发现，在 ZM61-Y 系铸态合金中，随着 Y 含量的变化，合金主要物相 演变规律为：α-Mg+ Mg7Zn3→α-Mg+I→α-Mg+W→α-Mg+X，这主要归因于 Zn /Y 原子比的不同造成的。其中，I 相主要偏聚于枝晶，Ｗ相多以鱼骨状的形式存在， X 相多以片层状形式存在。 (4) 当 Y 含量低于 2%时，挤压可使晶界和晶粒内部析出细小弥散的第二相， 提高合金强度的同时，也具有较好的室温延展性，其断口上韧窝尺寸也较大。随 着 Y 的增加，第二相颗粒变大，主要存在于晶界，热挤压过程中晶粒不易被挤碎、 细化，弱化了析出相与基体的界面能，最终使得挤压态合金综合力学性能降低。 同时，少量稀土 Y（低于 2%）掺杂 ZM61 系合金经固溶人工时效后，综合性能获 得提高。这归因于在固溶过程中，合金中的大部分第二相颗粒溶入镁基体，在随 后的人工时效过程中，晶界和晶内析出细小弥散的第二相颗粒，从而起到弥散强 化作用。随着 Y 的增加，固溶过程中溶入镁基体的第二相颗粒少，固溶时效强化 效果降低，而且晶粒尺寸大幅度长大，整体导致合金综合性能下降。 (5) 确立了 Mg-6Zn-1Mn-2Y 合金经 515℃/2h+90℃/24h+180℃/24h 固溶双级时 效处理可获得较好的综合力学性能，其屈服强度高达 340MPa，对应的时效硬化曲 线呈现“欠时效-峰时效-过时效”特征，在时效过程中可长时间处于高硬度的状 态，具备强的时效硬化能力，这为发展高强 ZM61-Y 合金系提供了可借鉴的技术 路线。 (6) 快速凝固技术使得 ZM61 镁合金的微观组织更加均匀，析出相更加细小， 合金强度可达 460MPa，约为传统铸造镁合金的 2 倍。这主要归因于 MgZn2 析出相 相对于 α-M