長周期相增強(qiáng)Mg-Y-Zn基合金組織和性能的研究.pdf

1、Mg-RE-Zn系鎂合金中形成長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(long period stacking ordered structure，簡稱LPSO)相可以顯著提高鎂合金的室溫和高溫強(qiáng)度，促進(jìn)鎂合金在汽車、電子和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開發(fā)高強(qiáng)度高塑性LPSO相增強(qiáng)鎂合金已成為鎂合金研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。然而，目前關(guān)于LPSO相增強(qiáng)鎂合金的研究中存在兩個亟待解決的問題:不同結(jié)構(gòu)的LPSO相之間的轉(zhuǎn)變過程和不同LPSO相對合金力學(xué)性能的影響規(guī)律

2、。針對以上問題，本文通過改變Mg-Y-Zn基合金中元素含量，運(yùn)用光學(xué)金相分析(OM)、等離子耦合光譜(ICP)、X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SEM)、X射線能譜分析(EDS)、透射電鏡(TEM)、電子萬能試驗(yàn)機(jī)等多種現(xiàn)代分析和測試手段，系統(tǒng)研究了Y/Zn摩爾比、Y和Zn（保持Y/Zn摩爾比為2）總含量以及Ni含量對Mg-Y-Zn基合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。此外，本文還通過熱擠壓和不同的熱處理工藝，研究了Mg-Y-Zn基

3、合金在不同狀態(tài)下的顯微組織和LPSO相的演變規(guī)律。
　　隨合金成分中Y/Zn摩爾比由4降至2/3，各鑄態(tài)合金中出現(xiàn)的第二相依次為塊狀Mg24Y5相、網(wǎng)狀Mg12YZn相和條紋狀W-Mg3Y2Zn3相。鑄態(tài)Mg95Y4Zn1（at.％，下同）合金的顯微組織由α-Mg基體、Mg12YZn相和Mg24Y5相組成。其中，Mg12YZn相是周期數(shù)為18的長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(LPSO)相，互相連接成網(wǎng)狀分布在α-Mg晶界處。Mg24Y5相為塊

4、狀，位于LPSO相之間或LPSO相的邊界處。隨Y/Zn摩爾比降低，Mg24Y5相的體積分?jǐn)?shù)顯著下降。Mg96Y3Zn1和Mg97Y2Zn1合金的顯微組織幾乎由α-Mg+18R LPSO(Mg12YZn)相兩相組成。當(dāng)Y/Zn摩爾比進(jìn)一步降低時，組織中開始出現(xiàn)條紋狀的W相，且LPSO相的體積分?jǐn)?shù)明顯減小。在Y/Zn摩爾比最低的Mg95Y2Zn3合金中，第二相全部為連接成網(wǎng)狀的W相。
　　經(jīng)過退火處理后，各合金（Mg95Y2Zn3合金

5、除外）的α-Mg基體中逐漸析出層片狀的相。TEM分析結(jié)果表明金相中觀察到的層片相是由尺寸為納米級別的α-Mg薄片和14H LPSO相層片交替排列構(gòu)成的團(tuán)簇組織，并在同一晶粒內(nèi)，這些團(tuán)簇互相平行。在Mg96Y2Zn2和Mg95Y2Zn3合金中，W相發(fā)生球化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹睆郊s為5μm的顆粒狀。經(jīng)熱擠壓處理后，合金中的第二相沿擠壓方向排列。其中，18R LPSO相呈條狀，其長軸平行于擠壓方向;α-Mg基體中的14H LPSO相團(tuán)簇互相平行，并與擠

6、壓方向成一定角度;塊狀Mg24Y5相和顆粒狀的W相分布于18R LPSO相的邊緣。經(jīng)時效處理（T5和T6）后，在Mg95Y4Zn1和Mg96Y3Zn1合金的基體中析出彌散分布的尺寸為納米級別的β'沉淀相。
　　各鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，經(jīng)熱擠壓變形后，合金的強(qiáng)度和塑性均顯著提升。隨Y/Zn摩爾比的降低，擠壓態(tài)合金的強(qiáng)度逐漸下降，塑性逐漸升高。組織為α-Mg+18R LPSO相兩相的Mg97Y2Zn1合金的綜合力學(xué)性能最好

7、。經(jīng)過固溶處理(T4)后，合金的強(qiáng)度下降，塑性提高。對于時效時析出沉淀相的Mgg5Y4Zn1和Mg96Y3Zn1合金，其強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高。
　　鑄態(tài)Mg12YZn合金的顯微組織由18R LPSO相、少量W相和少量長條狀的α-Mg相組成。經(jīng)過500℃長時間退火處理后，合金中的18R相結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，體積分?jǐn)?shù)未減小。通過SEM和TEM觀察，在長條狀的α-Mg相內(nèi)部，析出層片狀的14H LPSO相團(tuán)簇。
　　在500℃等溫連續(xù)退火

8、過程中，擠壓態(tài)Mg97Y2Zn1合金中的18R LPSO相逐漸溶解并消失，層片狀的14H LPSO相團(tuán)簇在α-Mg相晶粒內(nèi)部析出并長大。在退火240 h的合金試樣中，14H相團(tuán)簇已覆蓋整個合金組織。18R相的溶解和14H相的形成是兩個相對獨(dú)立的過程，合金退火時未觀察到18R相直接轉(zhuǎn)變?yōu)?4H相的相變過程。對擠壓態(tài)Mg97Y2Zn1合金經(jīng)不同時間退火后試樣的TEM分析表明，14H LPSO相在α-Mg相內(nèi)部的層錯區(qū)域形核并逐漸長大。隨退火

9、時間的延長，14H層片的密度和尺寸均逐漸增大，層片的厚度由幾納米增寬至0.5～1μm。14H LPSO層片的生長按照臺階生長機(jī)制進(jìn)行。
　　在500℃等溫長時退火時，擠壓態(tài)Mg96Y3Zn1合金中14H LPSO相的形核速率和生長速度顯著高于Mg97Y2Zn1合金。在退火240 h的合金試樣中，14H LPSO相團(tuán)簇覆蓋整個Mg96Y3Zn1合金組織。而擠壓態(tài)Mg95Y4Zn1合金退火時，由于合金中出現(xiàn)了除LPSO相外的其它第二相

10、，消耗了合金中的溶質(zhì)元素(Zn)，導(dǎo)致14H相的形核速率和生長速度降低。在退火240 h的Mg95Y4Zn1合金組織中，14H相的密度和體積分?jǐn)?shù)均低于Mg97Y2Zn1合金，且該合金在仍存在一定體積分?jǐn)?shù)的18R相和Mg24Y5相。另外，由于合金成分的改變，擠壓態(tài)Mg96Y2Zn2合金在退火過程中，14H相先較快形成，隨后逐漸減少至消失;退火240 h后的合金試樣的顯微組織由α-Mg相、18R相和W相構(gòu)成。
　　保持Y/Zn摩爾比為

11、2，隨合金中Y和Zn含量的增加，合金中18R LPSO相的體積分?jǐn)?shù)和尺寸逐漸增大，Mg94Y4Zn2和Mg91Y6Zn3合金中18R相的體積分?jǐn)?shù)高于α-Mg相。經(jīng)過熱擠壓變形后，沿擠壓方向排列的部分18R條狀相發(fā)生扭折，且隨合金中LPSO相體積分?jǐn)?shù)的增加，18R相的扭折程度加劇。經(jīng)時效處理（T5和T6）后，Mg95.5Y3Zn1.5、Mg94Y4Zn2和Mg91Y6Zn3合金中的α-Mg相內(nèi)析出β'沉淀相。
　　隨合金中18R L

12、PSO相的體積分?jǐn)?shù)的增加，擠壓態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著增高，塑性急劇下降。時效處理后，18R相和β'沉淀相的共同作用進(jìn)一步強(qiáng)化了Mg94Y4Zn2合金，但合金的塑性較差。18R相經(jīng)過變形后沿擠壓方向排列成纖維狀，由于這些18R條狀相與α-Mg相始終在基面(0001)上保持著共格關(guān)系，從而使粗大的18R LPSO相能夠近似通過“短纖維增強(qiáng)機(jī)制”對合金起到很好的強(qiáng)化作用。至于在α-Mg晶粒中析出的14H相，其對合金的強(qiáng)化效果不如18R

13、相。但由于14H相的尺寸小，加之又較均勻地分布于α-Mg晶粒內(nèi)，它的片狀結(jié)構(gòu)以及與α-Mg相的共格關(guān)系，使它在變形時能起較好的協(xié)調(diào)作用。所以14H形成后，合金的塑性得到改善。
　　用Ni置換Mg94Y4Zn2合金中Zn后，Mg94Y4Zn1Ni1和Mg94Y4Zn2合金的顯微組織仍為α-Mg相+18R LPSO相。但當(dāng)合金經(jīng)過退火、熱擠壓和熱處理后，α-Mg相內(nèi)部未析出14H LPSO相。經(jīng)時效處理（T5和T6）后，在兩合金的α-