稀土元素Y、Gd与碱土元素Ca对AZ81镁合金组织和力学性能的影响

摘要

镁合金是最轻的工程结构材料，具有比强度和比刚度高，电磁屏蔽性、减震性和散热性好等优点，以及优异的加工性能和良好的铸造性能。镁合金材料已被广泛应用于汽车、通讯和航天等相关行业。但是镁合金的耐热性较差，高温强度、蠕变性能较低。耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一，当温度升高时，镁合金的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件(如发动机零件)材料在汽车等工业中得到更广泛的应用。 本文通过合金制备、微观分析和力学性能测试等方法，研究了稀土元素Y、Gd和碱土元素Ca对AZ81镁合金微观组织和高温力学性能的影响。 研究结果表明：适量碱土元素Ca和稀土元素Y、Gd能够明显细化AZ81镁合金的显微组织，提高合金固溶时效状态下的室温和高温强度，合金的延伸率也得到提高。AZ81镁合金中加入0.6％~1.5％Ca(质量百分比，下同)后，使AZ81镁合金的组织明显细化，β(Mg17Al12)相减少，并析出粒状的化合物Al4Ca。经固溶时效处理后，随着碱土元素含量增加，在室温、150℃和175℃三个温度下，合金的强度和延伸率基本上呈先升后降的趋势。当Ca含量为1％时，合金的室温强度和150℃强度同时达到最大值，分别为224MPa和183MPa，在各温度下对应的延伸率分别是9.2％和11.34％。AZ81镁合金中加入适量稀土元素Y(2％)和不同含量的碱土元素Ca(0.1％~1％)，经固溶时效处理后，随着碱土元素Ca含量增加，在室温和150℃下，合金的强度和延伸率基本上呈先升后降的趋势。当复合含量达到2.5％(2％Y，0.5％Ca)时强度及延伸率均达到最好。 对于复合添加稀土元素Y、Gd的AZ81镁合金，当稀土含量为1％时合金的室温强度和150℃高温强度同时达到最大值，分别为247MPa和234MPa；在175℃和200℃温度下对应的延伸率均达到最大值，分别为17.28％和23.2％。AZ81镁合金中复合加入稀土元素Y、Gd和不同含量的碱土元素Ca经过固溶时效处理后，合金的组织和高温力学性能均得到不同程度的改善。当Y、Gd与Ca复合含量为2.1％时，合金的室温抗拉强度达到最大230MPa，在175℃时，其伸长率达到最大24.9％。当合金含量大于2.1％时，AZ81镁合金的机械性能明显下降。总而言之，适量复和添加Y、Gd与Ca后，AZ系镁合金在室温和高温下的强度、延伸率和显微组织均得到不同程度的改善。 对于Mg-8Al-1Zn-3Ca合金，经过适当的时效处理后，组织明显细化，β(Mg17Al12)相减少，并析出粒状的化合物Al4Ca、Al2Ca、Al-Ca。随着时效时间的增加，在室温下，合金的抗拉强度呈先升后降的趋势，而延伸率正好相反。当时效时间在36小时，合金的室温强度达到最大值，其值为195MPa，而对应的延伸率是3.25％。 分析认为，碱土元素Ca和稀土元素Y、Gd主要是通过固溶强化、析出强化和细晶强化作用提高了合金的室温和高温强度，改善了合金的塑性。