Mg-Gd-Zn基合金的微觀組織和強化機理研究.pdf

1、本世紀初，長周期結(jié)構(gòu)相(LPSO)增強稀土鎂合金（Mg-RE-X）的發(fā)現(xiàn)使鎂合金綜合性能提升到了一個新的高度，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。十多年來，國內(nèi)外材料學(xué)界對Mg-RE-X合金開展了大量的研究，取得了一系列重要進展，但由于一些重要的科學(xué)問題尚未解決，LPSO相增強稀土鎂合金至今還未步入實用化的進程。本文以Mg-RE-X合金中最具開發(fā)前景的三元Mg-Gd-Zn和四元Mg-Gd-Y-Zn合金為基，設(shè)計并制備了十種成分的合金。綜合運用

2、各種現(xiàn)代分析測試手段和方法，系統(tǒng)研究了不同Gd、Y和Zn含量對合金顯微組織、室溫力學(xué)性能和高溫蠕變行為的影響，并探討了合金中LPSO相的形成與演變過程和它對合金的強化機制。
　　系統(tǒng)的微觀分析研究顯示，Mg-xGd-Zn(x=11，12，13)(wt％，下同)與Mg-11Gd-yZn(y=1，1.5，2)三元合金的鑄態(tài)組織由α-Mg、(Mg，Zn)3Gd和14H-LPSO長周期相組成，中間相(Mg，Zn)3Gd的體積分數(shù)隨Gd含量

3、和Zn含量的增加而增大，且呈現(xiàn)典型的網(wǎng)狀共晶形貌。鑄態(tài)試樣在510℃退火過程中，發(fā)生了(Mg，Zn)3Gd轉(zhuǎn)化成14H-LPSO的相變。根據(jù)生成相的形貌和發(fā)生反應(yīng)的熱力學(xué)條件，可以推測這種反應(yīng)是包析轉(zhuǎn)變，反應(yīng)式可寫成:(Mg，Zn)3Gd+α-Mg→14H-LPSO。在Mg-Gd-Zn三元合金的顯微組織中，中間相的熱穩(wěn)定性隨Zn含量的增加而提高。當合金在熱擠壓或T4處理后，含Zn量較少的Mg-xGd-Zn(x=11，12，13)合金中大

4、部分中間相溶入α-Mg基體，而含Zn量較高的Mg-11Gd-yZn(y=1.5，2)合金中仍殘留大量第二相。Mg-Gd-Zn三元合金在熱擠壓過程中均發(fā)生了晶內(nèi)14H-LPSO相的沉淀（析出），且在隨后的固溶和時效過程中，都伴隨著14H-LPSO相的析出，說明在Mg-Gd-Zn合金中14H-LPSO的沉淀相變發(fā)生在一個很寬的溫度范圍。Mg-xGd-Zn(x=11，12，13)擠壓態(tài)合金在T6處理后，不僅顯微組織中14H-LPSO相的體積分

5、數(shù)大幅度增加，而且出現(xiàn)了β'和β1沉淀顆粒。擠壓后直接時效(T5)處理過程中，也發(fā)生了β'和β1沉淀，但14H-LPSO相沒有顯著增加。
　　成分為Mg-6Gd-4Y-3Zn的合金的鑄態(tài)組織則主要由α-Mg和18R長周期結(jié)構(gòu)相Mg12Y1Zn1相組成。若降低合金中的Zn含量，顯微組織中會出現(xiàn)Mg24(YGdZn)5。若在Mg-6Gd-4Y-1Zn成分基礎(chǔ)上，降低Y含量，顯微組織中還會出現(xiàn)(Mg，Zn)3Gd相。鑄態(tài)合金退火后，5種

6、合金的退火組織均由α-Mg、Mg12Y1Zn1和14H-LPSO相組成，且隨著Y、Zn含量的增加，合金中的Mg12Y1Zn1相體積分數(shù)增加。四元Mg-6Gd-(2-4)Y-(1-3)Zn擠壓態(tài)合金在高溫固溶(T4)處理后，Mg12Y1Zn1相部分溶入基體，而基體中的14H-LPSO相粗化并貫穿晶粒內(nèi)部。固溶后的時效(T6)處理后，顯微組織中14H-LPSO結(jié)構(gòu)和β'沉淀顆粒共存。四元合金擠壓后直接時效(T5)處理過程中，也發(fā)生了β'沉淀

7、，但14H-LPSO相和β'相體積分數(shù)沒有T6態(tài)多。
　　鑄態(tài)下各本文制備的三元Mg-Gd-Zn和四元Mg-Gd-Y-Zn合金的強度和延伸率都比較低，抗拉強度都在200MPa以下，延伸率都低于5％。經(jīng)熱擠壓后各合金的強度和塑性都達到大幅度的提高。對本文制備的所有合金經(jīng)T5（擠壓后直接時效）處理后，強度均得到一定程度的提高，但塑性明顯下降。然而，對于Zn含量較低的三元Mg-xGd-1Zn(x=11，12，13)和四元合金Mg-6Gd

8、-yY-1Zn(y=3，4)擠壓態(tài)合金在T6（固溶后時效）處理后，合金的強度和塑性達到了良好的匹配，其中Mg-(11-12)Gd-1Zn與Mg-6Gd-(3-4)Y-1Zn合金在T6處理后的強度和塑性均能高于T5態(tài)，呈現(xiàn)出優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。對比性能最好的四元Mg-4Gd-3Y-1Zn合金和三元Mg-11Gd-1Zn合金的性能可知，18R-LPSO與14H-LPSO長周期相的共同作用比單一14H-LPSO相的強化效果更好。在本文的三元M

9、g-11Gd-xZn(x=1，1.5，2)和四元Mg-6Gd-4Y-yZn(y=1，2，3)中，隨著Zn含量增加，合金（包括擠壓態(tài)和時效態(tài)）在常溫下的抗拉強度降低。
　　一系列蠕變試驗結(jié)果顯示，長周期相的形成大幅度提高了合金的抗蠕變性能，本文制備的Mg-Gd-Zn和Mg-Gd-Y-Zn合金在200℃溫度范圍和80MPa的應(yīng)力條件下，抗蠕變性能均高于WE54耐熱鎂合金。本文選擇三元GZ121和四元GWZ631合金為典型合金，在200

10、～275℃溫度范圍和50～200MPa應(yīng)力條件下進行了系統(tǒng)的蠕變試驗。結(jié)果顯示，在較低溫度(＜250℃)下，合金GWZ631的抗蠕變性能高于GZ121合金;在較高的溫度（≥250℃）下，合金GZ121的抗蠕變性能則高于GWZ631合金。基于經(jīng)典理論的Power-law公式，運用本文的蠕變試驗數(shù)據(jù)，計算獲得了兩種合金在200～275℃溫度范圍，50～200MPa的應(yīng)力范圍內(nèi)合金的應(yīng)力指數(shù)和激活能，其中在200℃/(50～200)MPa實驗

11、條件下，GZ121與GWZ631兩種實驗合金的應(yīng)力指數(shù)n值分別為2.06和2.56;而在250℃/(50～80) MPa實驗條件下GZ121與GWZ631兩種實驗合金的應(yīng)力指數(shù)n值分別升至4.6和3.73。在50MPa/(200～275)℃實驗條件下，GZ121與GWZ631合金蠕變激活能Q值分別為116.26 kJ/mol和186.8kJ/mol;而在80MPa/(200～275)℃實驗條件下，GZ121與GWZ631合金蠕變激活能Q

12、值分別為168.86kJ/mol和191.9kJ/mol。根據(jù)應(yīng)力指數(shù)判據(jù)，GZ121和GWZ631合金在較低溫度(＜250℃)下的蠕變主要受晶界滑移控制，而在較高的溫度（≥250℃）下，GZ121和GWZ631合金的蠕變則受位錯運動控制。此外，GZ121和GWZ631合金蠕變性能測試的數(shù)據(jù)和對蠕變后后的顯微組織觀察結(jié)果，與根據(jù)應(yīng)力指數(shù)判據(jù)所推測的蠕變控制機制基本一致。在GWZ631合金中，18R-LPSO相分布于α-Mg基體相的晶界。

13、由于18R-LPSO/α-Mg之間的相界共格，界面結(jié)合強度高，因此在較低蠕變試驗溫度(200℃)下，相界上未出現(xiàn)蠕變裂紋，說明在晶界滑移控制的蠕變過程中18R-LPSO相起了有效的強化晶界的作用，提高了合金的抗蠕變性能。在較高的溫度（≥250℃）下，由于合金的蠕變受位錯運動控制，晶內(nèi)14H-LPSO相起到了阻礙位錯運動和協(xié)調(diào)蠕變變形的雙重作用，有效地提高了合金的抗蠕變性能。在蠕變過程中，由于溫度和應(yīng)力的共同作用，合金中發(fā)生了β系列的沉淀