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快速凝固Mg-Zn系镁合金的组织与性能研究

周涛

  镁合金具有密度低、高比强度、高比刚度、导热性好、电磁屏蔽性优异、对振动及冲击能量的吸收高等优点,是非常重要的轻量化结构用绿色工程材料,在汽车、电子、航空航天等科技前沿领域具有广泛的应用前景。其中Mg-Zn合金是一种典型的沉淀强化合金,具有较高的室温和中温强度、良好塑性以及耐腐蚀性能。但该合金的凝固温度区间大,铸造及成型性能差,且晶粒细化困难,因而不能作为铸件或锻件材料,极大地限制了其工业应用。快速凝固(Rapidly solidification,简称RS)技术是制备高性能材料的有效方法之一,可以显著细化合金的组织、减小成分偏析、扩展合金元素在基体中的极限固溶度、形成亚稳相。采用该方法制备的Mg-Zn合金有望解决上述问题。本论文拟采用RS技术和合金化技术相结合,在细化晶粒的同时,通过添加合金化元素,使合金中均匀分布着细小、弥散的、热稳定的沉淀相,从而进一步改善合金的高温性能。 本文采用雾化-双辊急冷法,以Mg-6Zn(wt.%)合金为基体,通过Ca、RE(Ce和La)合金化及复合合金化技术,制备出了RS Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Ce和Mg-Zn-Ca-RE合金薄片及片状粉末,系统地研究了Ca、RE合金化以及复合合金化对RS Mg-Zn合金薄片的微观组织、物相种类、热稳定性和等时时效硬化行为的影响。在此基础上,通过热挤压工艺制备了快速凝固/粉末冶金(Rapidly solidification/Powder metallurgy,简称RS/PM)Mg-Zn系镁合金棒材,分为两个系列合金:(1)RS/PM Mg-Zn-Ca系合金,主要包括Mg-6Zn-5Ca和Mg-6Zn-5Ca-RE (3Ce和0.5La)合金;(2)RS/PM Mg-Zn-Ce系合金,主要包括Mg-6Zn-5Ce和Mg-6Zn-5Ce-1.5Ca合金。论文还对合金的微观组织、室温和高温力学性能及抗蠕变性能进行了研究。主要得到以下结论: (1) RS Mg-Zn系合金薄片的组织与性能 Ca的加入显著改善了RS Mg-Zn合金薄片的组织和性能。随着Ca含量的增加,合金中低熔点的Mg51Zn20相逐渐被熔点更高的Ca2Mg6Zn3和Mg2Ca相替代,合金的热稳定性逐渐提高。当Ca的含量高于1.5wt.%时,合金的组织显著细化,最小晶粒尺寸达到3~5μm,热稳定的弥散相的体积分数大幅度增加。RS Mg-6Zn-5Ca合金表现出显著的等时时效硬化行为,其硬度最大值达到120.8±4.5Hv。合金的硬化行为主要是由晶粒内部细小、弥散的Ca2Mg6Zn3相的析出引起的,晶界处则形成了尺寸相对较大的Mg2Ca和Ca2Mg6Zn3等热稳定的析出相,这都有助于合金在高温下保持较高的硬度值。 Ce有助于细化RS Mg-Zn合金薄片的组织和提高合金的热稳定性。随着Ce含量的增加,合金的组织逐渐细化,最小晶粒尺寸达到4~7μm,同时合金中高熔点的弥散相的体积分数大幅度增加。Ce与Zn、Mg形成了熔点更高(470~500℃)的Mg-Zn-Ce相(T相),使合金中低熔点的Mg51Zn20相显著减少,大幅度提高了合金的热稳定性,合金的等时时效硬化行为却逐渐减弱。但在RT~400℃热处理温度范围,Mg-6Zn-5Ce合金的硬度值明显高于其它成分的Mg-Zn-Ce合金,其硬度最大值为91.5±7Hv,主要强化机制为细晶强化和弥散强化。该合金中高熔点的T相的原子百分比为80.8at.%Mg,12.4at.%Zn和6.8at.%Ce,其中(Zn/Ce)at约为2:1。 在RS Mg-6Zn-5Ca合金薄片中添加RE(Ce和La)后,合金中形成了一种固溶有少量(约2~3at.%)Ca的Mg-Zn-RE相(简称为T′相)。T′相的熔点与T相的相近,均明显高于Ca2Mg6Zn3相。与此同时,随着RE含量的增加,Ca2Mg6Zn3相中溶入了少量的RE元素,使Ca2Mg6Zn3相的热稳定性提高了约6~16℃。这些都有助于提高RS Mg-Zn-Ca-RE合金的热稳定性。Mg-6Zn-5Ca-3Ce合金表现出显著的等时时效硬化行为,其最高硬度值达到162.4±5.5Hv,这主要是由晶粒内部细小、弥散的Ca2Mg6Zn3相的析出引起的,而晶界处形成了高熔点的T′相、Mg12Ce和Mg2Ca相,这都有助于合金在高温下保持较高的硬度值。(2) RS/PM Mg-Zn系合金棒材的微观组织、室温和高温力学性能及抗蠕变性能 在热挤压过程中,合金的组织显著细化,同时析出相的体积分数大幅度增加,但合金中的主要物相没有发生明显的变化。对于RS/PM Mg-Zn-Ca系合金,Ca和RE(Ce和La)的依次加入可以大幅度提高合金的室温和高温性能。在Mg-6Zn合金中添加5wt.%Ca后,合金的晶界处形成了大量、热稳定的Mg2Ca和Ca2Mg6Zn3相,有效地强化了晶界,使合金在200℃条件下的抗压强度由40.7MPa(Mg-6Zn)大幅度提高到202.3MPa(Mg-6Zn-5Ca) ;而后者的最小蠕变速率是前者的1/134(200℃/50MPa条件下)。进一步加入RE后,除了Mg2Ca相外,合金的晶界处还形成了大量、高熔点的T′相,同时RE还有助于改善Ca2Mg6Zn3相的热稳定性,从而使合金的高温抗压强度(200℃)提高到234.0MPa(Mg-6Zn-5Ca-3Ce合金)和244.6MPa(Mg-6Zn-5Ca-3Ce-0.5La合金)。在175℃/50MPa条件下,后两种合金的最小蠕变速率分别约为Mg-6Zn-5Ca合金的1/2和1/4。 对于RS/PM Mg-Zn-Ce系合金,Ce和Ca的依次加入可以大幅度提高合金的室温和高温性能。在Mg-6Zn合金中添加5wt.%Ce后,合金的晶粒内部和晶界处形成了大量细小、弥散的T相,使Mg-6Zn-5Ce合金的高温(200℃)抗压强度高达225.9MPa;而该合金的最小蠕变速率是Mg-6Zn合金的1/1075(200℃/50MPa条件下)。由于T相的热稳定性明显优于Ca2Mg6Zn3相,因此,RS/PM Mg-6Zn-5Ce合金的抗蠕变性能明显优于RS/PM Mg-6Zn-5Ca合金。进一步加入1.5wt.%Ca后,合金的晶界处形成了形状不同的、固溶有微量(约1at.%)Ca的Mg-Zn-Ce相(其中(Zn/Ce)at≈1.5:1),使合金的高温抗压强度(200℃)达到258.2MPa;其最小蠕变速率约为Mg-6Zn-5Ce合金的1/2(200℃/90MPa条件下)。……   
[关键词]:快速凝固/粉末冶金;Mg-Zn系镁合金;微观组织;热稳定性;力学性能
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:湖南大学2009年
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