高性能Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金組織與力學(xué)性能研究.pdf

1、鎂合金是最輕的商業(yè)金屬材料,具有高的比強度、比剛度及易于加工等優(yōu)點,已應(yīng)用于航空航天、汽車以及電子通訊等領(lǐng)域。然而其較低的強度和塑性,限制了其廣泛應(yīng)用。Mg-Re-Zn合金,由于存在長周期結(jié)構(gòu)強韌化相,表現(xiàn)出優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能。Zr元素也被添加到該系合金中,以期通過晶粒細(xì)化,而進(jìn)一步提高合金的強度和塑性。但鑄造時,Zr元素易與RE元素反應(yīng),降低了稀土元素的收得率;同時,Zr顆粒在鑄造時易于下沉,降低鑄件的冶金質(zhì)量。然而添加Mn元素

2、可以有效純化鑄態(tài)合金、顯著的細(xì)化擠壓態(tài)合金晶粒及改善合金的成型性能。本文用Mn元素替代Zr元素,通過添加不同含量的Mn元素,研究Mn元素含量變化及不同工藝對合金組織、室溫和高溫力學(xué)性能的影響。
　　本研究制備了不同Mn含量的Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-xMn(x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)合金,借助X射線熒光分析、光學(xué)顯微鏡分析、掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜分析、X射線衍射分析、透射電子顯微分析、

3、顯微硬度測試、力學(xué)性能測試等手段研究Mn含量及變形工藝對不同狀態(tài)下合金組織性能的影響,結(jié)合微觀和宏觀斷口分析,探討合金的強韌化機理。結(jié)果表明:鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-xMn(x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)合金組織為典型的樹枝晶組織,主要由α-Mg基體以及網(wǎng)絡(luò)狀枝晶間化合物組成。冷卻速度較小時,枝晶間化合物主要由層片狀Mg12(Gd,Y)Zn相和Mg24(Gd,Y,Zn)5共晶組織組成,隨著 Mn含量變化,

4、枝晶間距未發(fā)生明顯變化,而 Mg12(Gd,Y)Zn相和Mg24(Gd,Y,Zn)5相對數(shù)量發(fā)生變化。經(jīng)過熱擠壓變形后,合金組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,組織由鑄態(tài)的枝晶組織變?yōu)榈容S晶粒。當(dāng)Mn含量小于0.8(wt.％)時,隨Mn含量增加,擠壓態(tài)晶粒細(xì)化。進(jìn)一步增加Mn含量,合金晶粒尺寸基本不變。擠壓態(tài)合金中的主要相為Mg12(Gd,Y)Zn相,在擠壓態(tài)時該相有兩種形貌,一種是分布在基體上的片狀相,一種是沿著晶界分布的絮狀相。當(dāng)Mn添加量為0.8

5、％時,晶粒細(xì)化最為明顯,第二相主要沿著晶界分布,基體上局部有扭曲的第二相,這種組織特點決定了其優(yōu)異的室溫力學(xué)性能。對擠壓態(tài)合金進(jìn)行時效處理(T5)后,其強度進(jìn)一步升高,強度變化趨勢與擠壓態(tài)一致,但塑性下降。對擠壓態(tài)合金進(jìn)行熱處理研究發(fā)現(xiàn),合金的最佳固溶工藝為530℃/16h,對固溶16h合金進(jìn)行時效處理后,其強度和塑性都較低,主要原因是由于固溶處理時導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒長大。當(dāng)冷卻速度較大時,鑄態(tài)合金中除其他兩種相外,形成新相Mg3Y2Zn3

6、,該相為快速凝固下形成的非平衡相。較快的冷卻速度使鑄態(tài)合金枝晶細(xì)小,經(jīng)過擠壓后,合金再結(jié)晶晶粒更加細(xì)小均勻,獲得較優(yōu)異的室溫力學(xué)性能。對擠壓前合金進(jìn)行鍛造處理,鍛造后合金發(fā)生再結(jié)晶,晶粒細(xì)小均勻,鍛造后再擠壓合金強度和塑性較直接擠壓態(tài)合金優(yōu)異,對直接擠壓態(tài)和鍛造后再擠壓合金進(jìn)行時效處理,時效處理后合金強度大幅度升高,但是塑性下降也較明顯。該Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-xMn(x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)系合金的