复合添加Ti、Zr对含长周期堆垛有序结构相Mg-Y-Zn合金显微组织和力学性能的影响

摘要

近年来，含长周期堆垛有序（long period stacking ordered，LPSO）结构相的镁合金因其优异的性能受到研究者们的广泛关注。研究者通过合金化、热处理、变形、时效一系列的强化方法制备了许多力学性能优异的此类镁合金。就现阶段的研究来看,形成LPSO结构相必须包含稀土元素，但考虑到稀土元素价格昂贵会增加此类镁合金的生产成本，限制其应用，所以寻找可部分替代稀土的元素成为一重要研究课题。本文即以Mg100-2x-Yx-Znx（X=2，2.5，3，3.5）合金为研究对象对此方面研究进行了有价值的探索。
　　本实验以常规铸造法制备了Mg-Y-Zn、Mg-Y-Zn-Ti、Mg-Y-Zn-Zr以及Mg-Y-Zn-Ti-Zr合金。首先研究了在 Y：Zn原子比为1的情况下，Y、Zn含量对Mg-Y-Zn合金显微组织和力学性能的影响，继而探究了热处理中三个最重要参数（温度、时间、冷却速度）对组织的影响。其次，通过单加和复合添加Ti、Zr，研究了两者对Mg-Y-Zn合金显微组织和力学性能的影响。最后，通过对比研究正挤压对 Mg93.1Y2.5Zn2.5Ti1.6Zr0.3和 Mg95Y2.5Zn2.5合金显微组织和力学性能的影响，探究了其不同原始组织挤压后显微组织和力学性能的变化。研究结果表明：
　　（1）Y、Zn含量对 Mg-Y-Zn合金的显微组织有显著影响。随着 Y、Zn含量的增加，合金中晶界间隙逐渐变大，第二相增多，树枝晶减少，α-Mg晶粒减小。LPSO结构相变得粗大，呈长杆状；W相（Mg3Y2Zn3）整体尺寸变大，但微观形貌仍为鱼骨状。
　　（2）Y/Zn(at％)为1时，Mg-Y-Zn合金的组织由α-Mg、LPSO结构相和共晶相W组成。合金凝固过程为：初晶α-Mg首先在合金中形核长大，并将Y、Zn溶质原子向外排出。随着温度的下降，α-Mg晶间剩余液相在凝固结束前LPSO结构相和W相依次析出。合金Mg100-2x-Yx-Znx（X=2，2.5，3，3.5）中，Mg95Y2.5Zn2.5合金的综合力学性能最佳。
　　（3）对合金Mg95Y2.5Zn2.5经行热处理工艺探究时发现，530℃固溶处理10h以及500℃固溶处理40h利于18R的溶解和W相的球化；较慢的冷却速度利于14H的析出。球状Wˊ相（MgYZn2）随着时间的延长有粗化的趋势。
　　（4）在Mg95Y2.5Zn2.5合金中单加Ti、Zr后，α-Mg晶粒平均大小由25μm分别减小到15μm和20μm；通过复合添加Ti、Zr后，α-Mg晶粒平均大小由25μm减小到13μm。
　　（5）更重要的是加入Ti、Zr后促进了Mg95Y2.5Zn2.5合金中LPSO结构相的形成，抑制了W相的形成。通过复合添加Ti、Zr获得了兼顾晶粒细小和长周期结构相面积分数的优异合金Mg93.1Y2.5Zn2.5Ti1.6Zr0.3。
　　（6）对合金Mg95Y2.5Zn2.5铸态、固溶水冷、固溶炉冷三种不同原始组织正挤压后发现，固溶处理的合金正挤压后获得了良好的伸长率（17%~22%），但抗拉强度较低（320~330MPa）；铸态合金挤压后获得了较高的抗拉强度和略低的伸长率（345MPa，16%）。
　　（7）合金Mg93.1Y2.5Zn2.5Ti1.6Zr0.3铸态抗拉强度112MPa，伸长率3.5%，经过固溶处理后抗拉强度达196MPa，伸长率达7.5%。对Mg93.1Y2.5Zn2.5Ti1.6 Zr0.3合金铸态、固溶水冷、固溶炉冷三种不同原始组织正挤压后发现，固溶水冷处理的合金获得了良好的综合力学性能(抗拉强度375MPa，伸长率9.5%)。
　　（8）合金经正挤压后，沿着挤压方向呈现出纤维状组织形貌，且镁基体的基面织构得到强化；鱼骨状的W相被挤碎成小颗粒，具有弥散强化作用；LPSO结构相发生变形，可提高合金强塑性；动态再结晶晶粒的产生有助于增强合金的塑性。挤压后合金力学性能的提高是以上多种因素协调的结果。

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第一章 绪论

1.1 长周期堆垛有序结构相增强的镁合金

1.2 Mg-Y-Zn系合金中的相

1.3 选题意义及研究内容

参考文献

第二章 实验过程及研究方法

2.1实验合金的制备

2.2 合金热处理及正挤压工艺

2.3力学性能的测试

2.4 合金显微组织的表征

第三章 长周期结构相增强的Mg-Y-Zn合金

3.1 引言

3.2 Y、Zn含量对Mg-Y-Zn合金的影响

3.3 固溶处理对Mg95Y2.5Zn2.5合金显微组织的影响

3.4 LPSO结构相的转变

3.5 W相的球化

3.6 固溶处理对Mg95Y2.5Zn2.5合金力学性能的影响

3.7小结

参考文献

第四章 细化剂Ti、Zr对Mg95Y2.5Zn2.5合金显微组织和力学性能的影响

4.1 引言

4.2 Ti、Zr对Mg95Y2.5Zn2.5合金显微组织的影响

4.3 Ti、Zr对Mg95Y2.5Zn2.5合金力学性能的影响

4.4小结

参考文献

第五章 正挤压对Mg93.1Y2.5Zn2.5Ti1.6Zr0.3和Mg95Y2.5Zn2.5合金显微组织和力学性能的影响

5.1 引言

5.2 Mg93.1Y2.5Zn2.5Ti1.6Zr0.3和Mg95Y2.5Zn2.5合金固溶组织的选择

5.3 Mg93.1Y2.5Zn2.5Ti1.6Zr0.3和 Mg95Y2.5Zn2.5合金不同原始组织挤压后的显微组织及力学性能

5.4小结

参考文献

第六章 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文