快速凝固Mg-Zn-Y-Zr合金的制备、组织及性能

摘要

利用快速凝固技术制备镁合金，可以大幅度提高传统材料的性能，还可以开发出新合金体系。这种制备技术与常规的制备方法相比具有独特的优越性，在国内外合金制备领域已经引起人们极大的关注。本文选用高阻尼系Mg-Zn-Y-Zr合金作为研究对象，采用铸造技术制备出三种不同成分的Mg-Zn-Y-Zr合金，将合金在石英管中重熔后用单辊甩带设备制备不同冷却速度的快速凝固Mg-Zn-Y-Zr合金薄带，通过SEM、XRD、XRF、OM、显微硬度测定、耐蚀性能表征等分析手段，系统研究了成分、冷却速率对以上合金的凝固组织和力学、耐蚀性能的影响，初步探讨了Mg-Zn-Y-Zr合金在急冷快速凝固条件下的凝固机制和腐蚀机制。随后，通过粉磨、热压烧结成型工艺探讨，对力学性能和耐腐性能综合指标最好的快速凝固Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr(wt.％)合金烧结成块体材料，并研究了其抗压性能、抗冲击性能。本文获得的主要结论如下：
　　 (1)通过制备工艺探索，成功制备出了合乎设计成分要求的Mg-Zn-Y-Zr合金试样和不同冷却速率下的急冷快速凝固薄带，并推荐出了较好的制备工艺。
　　 (2)铸造Mg4.31Zn0.29Y0.91Zr合金主要由a-Mg+Mg7Zn3+H相组成，铸造Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr合金主要由a-Mg+I相组成。铸造Mg4.44Zn1.85Y1.19Zr合金主要由a-Mg+I+W相组成，Y含量的变化影响了合金的相组成，随Y含量增加，铸造合金组织晶粒细化。
　　 (3)铸造Mg4.44Zn1.85Y1.19Zr合金比铸造Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr合金的组织细小，但硬度却低于铸造凝固Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr合金，这主要是因为铸造凝固Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr合金的第二相主要为I相，而Mg4.44Zn1.85Y1.19Zr的第二相主要为I相、W相。I相相对于W相与α-Mg基体临近的更加紧密，能够更有效率的延缓晶界的滑移，提高合金的硬度。在模拟海水腐蚀环境中，铸造Mg-Zn-Zr-Y合金的抗蚀性能随着Y含量的增加而增加。
　　 (4)研究发现，快速凝固Mg-Zn-Y-Zr合金的凝固组织与铸态合金具有明显差别。Y元素含量的变化对快速凝固合金的相组成具有影响。在不同辊速的快速凝固Mg4.31Zn0.29Y0.91Zr合金薄带由α-Mg、Mg7Zn3、Mg12YZn、非晶相组成；在不同辊速的快速凝固Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr合金薄带由α-Mg、I相、非晶相组成；而不同辊速的Mg4.44Zn1.85Y1.19Zr合金薄带由α-Mg、W相、非晶相组成。
　　 (5)研究发现，所有成分快速凝固Mg-Zn-Y-Zr合金的凝固组织均存在随冷却速度增加，所有组织相细化程度、非晶相含量、固溶度以及晶格畸变程度增加的变化规律。
　　 (6)研究了快速凝固Mg-Zn-Y-Zr合金薄带的成分、组织与显微硬度和耐蚀性能的关系。快速凝固Mg-Zn-Y-Zr合金薄带比同成分的铸造合金具有较高的硬度和耐蚀性能。其显微硬度和化学稳定性均存在随着冷却速率增加而增大的变化规律。
　　 (7)通过粉磨工艺和烧结工艺探讨，成功制备了快速凝固Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr烧结块体材料，并推荐出了较好的制备工艺参数。快速凝固Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr合金材料压缩断口为脆性断裂和韧性断裂。
　　 (8)快速凝固Mg4.42Zn0.98Y0.93Zr块体材料的抗压性能和抗冲击性能高于同成分铸造合金，硬度值是同成分铸造镁合金2.24倍，抗压强度293Mpa，达到预期指标。这表明所采用的材料成分和技术路线可以满足制备高强度高耐蚀镁合金的要求，对新型高强度高耐蚀镁合金的研究开发有重要的意义。