热处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr铸造镁合金显微组织、力学性能和腐蚀性能的影响研究

摘要

稀土镁合金作为一种有发展前途的高性能镁合金，其在航空航天等领域应用前景广阔。目前，虽然国内外对稀土镁合金的研究已开展了大量的研究工作，但涉及的合金主要集中在Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Nd系等镁合金上，对于Mg-Dy系等其它稀土镁合金的研究和报道还相对较少。由于Dy元素的原子半径与镁元素相近且在镁中具有较大的固溶度，从而可使含Dy镁合金时效硬化特性更为明显。此外，Zn元素价格便宜加之其在镁合金中也具有很好的强化效果。因此，Mg-Dy-Zn基镁合金被认为是一种有很好发展前途的高性能稀土镁合金。然而，目前国内外对于Mg-Dy-Zn基稀土镁合金的研究还相对较少，尤其在热处理影响合金组织和性能方面。众所周知，热处理是改善和提高稀土镁合金综合性能最为重要的手段之一。基于此，在Mg-Dy-Zn基稀土镁合金的设计制备的基础上，研究热处理对其组织和性能的影响，对于Mg-Dy系和/或Mg-Dy-Zn基高性能稀土镁合金的开发和应用具有重要的理论意义和实际价值。　　本文在前期研究的基础上，设计制备出了Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr（wt.%）砂型铸造镁合金，并在此基础上利用差热分析（DSC）、金相显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、电化学腐蚀以及拉伸性能测试等手段，研究了热处理对试验镁合金显微组织、力学性能和腐蚀性能的影响，并得到了以下主要结论：　　1）砂型铸造Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr试验镁合金的铸态组织主要由初生α-Mg相、Mg12ZnRE相和颗粒状Mg3Zn3RE2相组成。合金固溶热处理后，合金组织中相的类型发生了一定的变化，其中520℃×12h固溶合金的显微组织主要由α-Mg基体和Mg3Zn3RE2相组成，而520℃×16h固溶合金中则出现了(Mg,Zn)x(Dy,Gd)相。此外，不同时效工艺下合金的显微组织也存在一定的差异，其中520℃×12h+200℃×24h时效处理合金的显微组织主要由α-Mg基体和Mg3Zn3RE2相组成，而520℃×12h+175℃×24h和520℃×12h+200℃×8h时效处理合金中则出现了(Mg,Zn)x(Dy,Gd)相。　　2）固溶处理对砂型铸造Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr试验镁合金的力学性能存在较大影响。在12h固溶时间下，随着固溶温度从480℃增加到520℃，合金的显微硬度先减小后增加，当温度达到520℃时显微硬度达到最大值。在520℃固溶温度下，随着固溶时间从8h增加到24h，合金的显微硬度值先增加后减小，在12h时合金的显微硬度达到最高，并且在此条件下合金的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了233MPa、108MPa和19.0%。　　3）时效处理对砂型铸造Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr试验镁合金的力学性能存在较大影响。当合金经520℃×12h固溶处理后，在时效时间保持24h不变条件下，随着时效温度从175℃增加到250℃，合金的显微硬度值较铸态合金有所提高；在时效温度保持200℃不变条件下，随着时效时间从8h增加到48h，合金的显微硬度先降低后增加，在时效时间为32h时显微硬度最大，并且在该条件下试验合金展现出了较好的室温抗拉性能，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了266MPa、140MPa和18.6%。　　4）铸态、T4（520℃×12h）和T6（520℃×12h+200℃×32h）态砂型铸造Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr试验镁合金在不同浓度NaCl溶液中的开路电位主要呈两种变化趋势，一种呈平滑增长趋势，另一种为小范围内存在较小波动而整体上呈上升的趋势。此外，不同状态的试验合金在不同浓度NaCl溶液中的自腐蚀电位和腐蚀电流也存在一定差异，其中铸态合金在10%NaCl溶液中自腐蚀电位最高（-1.62V）、在7%NaCl溶液中的自腐蚀电流最小（2.87×10-5A），而T4和T6态合金在不同浓度NaCl溶液中的极化曲线均存在明显钝化区，但前者在10%NaCl溶液中的自腐蚀电位最高（-1.57V）、在7%NaCl溶液中的自腐蚀电流最小（2.30×10-5A），而后者在1%NaCl溶液中的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别达到最高和最低（-1.39V和2.95×10-6A）。　　5）在相同浓度NaCl溶液中，砂型铸造Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr试验镁合金分别经T4（520℃×12h）和T6（520℃×12h+200℃×32h）处理后，试验合金的耐腐蚀性能均较铸态合金有所提高，其中T6处理合金的腐蚀电流最小、耐腐蚀性最好。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 Mg-Dy系合金的国内外研究现状

1.2.1 合金化

1.2.2 镁稀土合金的强化机制

1.2.3 Mg-Dy-Zn-Gd-Zr合金的研究现状

1.3 镁合金的热处理

1.4 镁合金的耐腐蚀性能

1.4.1 镁合金的腐蚀类型

1.4.2 稀土镁合金腐蚀性能的研究现状

1.5 本文主要研究的目的和意义

1.6 本文的主要研究内容

2 试验材料及试验方法

2.1 实验研究方案和技术路线

2.2 实验合金的成分设计

2.3 试验合金的熔炼制备

2.4 试验合金的热处理

2.5 组织观察与分析方法

2.5.1 差热分析实验（DSC）

2.5.2 金相组织观察（OM）

2.5.3 XRD物相分析

2.6 性能测试

2.6.1 显微硬度测试

2.6.2 室温拉伸性能测试

2.6.3 腐蚀性能测试

3 固溶处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织和力学性能的影响

3.1 Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金的DSC差热分析

3.2 固溶处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织的影响

3.2.1 Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr镁合金的铸态和固溶态显微组织

3.2.2 固溶温度对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织的影响

3.2.3 固溶时间对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织的影响

3.3 固溶处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金力学性能的影响

3.3.1 固溶温度对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微硬度的影响

3.3.2 固溶时间对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微硬度的影响

3.3.3 固溶处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金的室温力学性能的影响

4 时效处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织和力学性能的影响

4.1 时效处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织的影响

4.1.1 Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金时效态的显微组织

4.1.2 时效温度对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织的影响

4.1.3 时效时间对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微组织的影响

4.2 时效处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金力学性能的影响

4.2.1 时效温度对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微硬度的影响

4.2.2 时效时间对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金显微硬度的影响

4.2.3 时效处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金室温力学性能的影响

5 热处理对Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金腐蚀性能的影响

5.1 Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金不同状态下的动电位极化曲线

5.1.1 不同浓度NaCl溶液下的极化行为

5.1.2 相同浓度NaCl溶液下的极化行为

5.2 Mg-3Dy-2Zn-0.5Gd-0.5Zr合金不同状态下的交流阻抗行为

6 主要结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果