关键词：
稀土镁合金
Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金
热处理
显微组织
力学性能
摘要：
镁合金是目前工业应用最轻的金属结构材料,它具有密度低、比强度和比刚度高、可回收利用,良好的切削加工性以及铸造性能,在电子、交通、航空航天具有广泛的应用前景。众所周知,Mg-Gd-Y-Zn-Zr系高强铸造镁合金在航空航天和军工等领域的应用优势明显,但目前研究开发的Mg-Gd-Y-Zn-Zr系镁合金的综合力学性能还难以满足工业生产的需求,因此,有必要进一步针对Mg-Gd-Y-Zn-Zr系高强铸造镁合金展开研究,考虑到合金化和热处理强化是提高稀土镁合金力学性能最有效的方法,尤其考虑到在Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金中Y和Zn元素可以形成有利于力学性能改善的长周期堆垛有序结构增强相(LPSO相)。因此本文从改变Y和Zn含量以及热处理工艺角度出发,对其影响Mg-Gd-Y-Zn-Zr高强铸造镁合金的显微组织和力学性能展开研究,以期为通过成分设计以及热处理优化研制开发新型Mg-Gd-Y-Zn-Zr高强铸造镁合金提供理论指导。本文基于设计制备的Mg-10Gd-x Y-y Zn-0.5Zr(x=1,2 wt.%;y=0-1.5 wt.%)试验镁合金,通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)进行显微组织分析、DSC差热分析确定第二相转变以及显微硬度计和拉伸试验机进行力学性能测试等,研究了Y、Zn含量变化以及热处理工艺变化对试验镁合金铸态和热处理后显微组织和力学性能的影响,并得到了以下主要研究结果:1)Mg-10Gd-1Y-0.5Zr和Mg-10Gd-2Y-0.5Zr试验镁合金的铸态显微组织均主要由a-Mg、Mg(Gd,Y)和Mg(Y,Gd)相组成。添加0.5-1.5 wt.%Zn后,含1wt.%和2wt.%Y试验合金的显微组织均由a-Mg、Mg(Gd,Y)、Mg(Y,Gd)以及18R-LPSO相组成,并且随着Zn含量从0.5wt.%增加到1.5wt.%,含1wt.%Y和2wt.%Y试验合金的晶粒尺寸逐渐减小、第二相数量逐渐增多。2)在Mg-10Gd-1Y-0.5Zr和Mg-10Gd-2Y-0.5Zr试验镁合金中,含1wt.%Y合金的铸态抗拉强度和屈服强度低于含2wt.%Y合金,但其延伸率高于后者。在含1wt.%Y和2wt.%Y试验合金中分别添加0.5和1.0wt.%Zn后,合金的铸态拉伸性能尤其抗拉强度和屈服强度均得到改善,其中又以添加0.5wt.%Zn对合金拉伸性能的改善最为明显。相反,添加1.5 wt.%Zn则不利于含1wt.%Y和2wt.%Y试验合金的铸态拉伸性能。3)Mg-10Gd-1Y-0.5Zr和Mg-10Gd-2Y-0.5Zr试验镁合金经480℃×12h/24h固溶处理后,合金组织中的粗大共晶状Mg(Gd,Y)和Mg(Y,Gd)第二相均发生分解并溶入a-Mg基体,而添加0.5-1.5 wt.%Zn后,含1wt.%和2wt.%Y试验合金组织中的Mg(Gd,Y)、Mg(Y,Gd)以及18R-LPSO第二相也在480℃×12h/24h固溶处理过程中逐渐分解并向具有高温稳定性的14H-LPSO相转变。总体而言,固溶处理对含Zn的Mg-10Gd-2Y-0.5Zr试验镁合金的拉伸性能具有明显改善作用,其中含0.5wt.%Zn合金经480℃×24h固溶处理后展示了相对较高的拉伸性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了233MPa、199MPa和15.26%。4)Mg-10Gd-1Y-0.5Zr和Mg-10Gd-2Y-0.5Zr试验镁合金经480℃×24h+200℃×24h时效处理后,试验合金的拉伸性能均得到明显提高,但含1wt.%Y试验合金时效后的拉伸性能较含2wt.%Y合金相对较高。进一步,在含1wt.%Y和2wt.%Y试验合金中分别添加0.5-1.5 wt.%Zn后,含1wt.%Y合金时效后的拉伸性能呈降低趋势,而含2wt.%Y合金时效后的拉伸性能显著增加,尤其含0.5wt.%Zn和1.5wt.%Zn的Mg-10Gd-2Y-0.5Zr试验镁合金展示了相对较高的抗拉性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了278MPa、235MPa和5.47%以及286MPa、247MPa和9.38%。5)Mg-10Gd-1/2Y-x Zn-0.5Zr(x=0-1.5wt.%)试验镁合金经过固溶处理后显微硬度显著下降,这可能与固溶处理过程中粗大的网状共晶相分解溶入基体有关。当试验合金经过不同时效温度(175℃、200℃、225℃、250℃)保温24h的时效处理后,随着时效温度的升高,试验合金的显微硬度都呈现出先减小后增大再减小的趋势,且均在200℃x24h处达到峰值硬度。
