关键词： Mg-Zn-Sn-Mn合金   热加工工艺   力学性能   微观组织  

摘要： 镁合金以其轻量化、高比强度等优点,广泛应用于航空、电子、汽车制造等领域。研究高性能、低成本的变形镁合金以适应更多的应用场景具有重要的学术意义及实际价值。本论文以铸态、均匀态、挤压态及时效态Mg-6Zn-3Sn-0.9Mn（ZTM631）合金为研究对象,研究不同热加工工艺对ZTM631合金的微观组织、力学性能以及超高周疲劳行为的影响。分析对比热加工不同状态ZTM631合金的微观组织与力学性能的关系,揭示其影响规律和机制。具体包括: 研究了铸态和均匀态ZTM631合金的微观组织和力学性能,分析了均匀化处理对显微组织演变的影响。铸态ZTM631合金中主要存在α-Mg、Mg Zn、MgSn与α-Mn四种相。均匀态ZTM631合金中主要存在α-Mg、MgSn与α-Mn三种相。均匀化处理后Mg Zn和大部分的MgSn固溶入Mg基体中。铸态ZTM631合金试样的抗拉强度、屈服强度及断后伸长率分别为204MPa、124MPa和8.4%。均匀态ZTM631合金试样的抗拉强度、屈服强度及断后伸长率分别为283 MPa、130 MPa和11.9%。 研究了不同挤压温度对ZTM631合金的微观组织和力学性能的影响。分析了挤压温度与ZTM631合金的晶粒尺寸、第二相的关联性,以及对力学性能变化规律的影响。首先,300℃和350℃下的ZTM631挤压合金为不完全的动态再结晶结构。而在400℃下挤压的ZTM631合金为完全的动态再结晶结构。其次,在300℃和350℃挤压合金中,尺寸较大（大于1μm）的第二相主要是α-Mn相。在400℃挤压合金中,基体中存在尺寸大于1μm的α-Mn相和MgSn相。其中400℃挤压ZTM631合金的综合力学性能最好,抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为330MPa、236 MPa、21.0%,这是由于细晶强化和析出强化共同作用的结果。400℃挤压ZTM631合金时效处理后力学性能得到进一步改善,抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为337 MPa、273MPa和19.0%。主要由于析出强化的作用。 研究了在300℃、350℃和400℃三种挤压温度下,挤压态ZTM631镁合金的超高周疲劳性能及疲劳失效机理。在400℃下挤压的ZTM631合金的疲劳强度约为120 MPa,而在300℃和350℃挤压时ZTM631合金的疲劳强度约为115MPa。在超高周疲劳破坏过程中,300℃和350℃挤压合金的裂纹优先在分布密集的α-Mn相处产生,而400℃挤压合金的裂纹在MgSn颗粒附近产生。300℃和350℃挤压合金中,应变集中的未动态再结晶晶粒与周围的第二相颗粒共同作用加速了疲劳裂纹的萌生。 Mg-Zn-Sn-Mn合金是一种新型的高强度变形镁合金体系,研究热加工工艺参数对ZTM631合金力学性能和疲劳性能的影响,有望为后续开发高性能高强度Mg-Zn-Sn合金和拓展其应用领域提供了理论信息。

关键词： 镁合金   微合金化   静态再结晶   织构演化   塑性变形  

摘要： 在可持续发展的时代背景下,镁合金凭借其轻质优势,日益受到电子通讯、轨道交通和航空航天等领域的青睐。然而,镁合金为密排六方晶体结构,室温塑性变形过程中仅激活有限滑移系,易形成强基面织构,导致镁合金室温成形性差、各向异性严重。因此,弱化基面织构或引入非基面织构将减小镁合金塑性变形各向异性,提升塑性变形能力,从而有效改善镁合金成形性。 静态再结晶(static recrystallization,SRX)作为一种调控镁合金织构组分的重要方法,受到广泛关注。非连续SRX过程主要包括晶粒形核和长大两个阶段,其中不同形核位点间存在竞争关系以及不同取向再结晶晶粒间存在竞争生长行为。由于变形组织具有不均匀性和多样性,目前对不同形核位点和形核取向间的确切对应关系尚未达成统一共识。此外,传统商业镁合金(如Mg-Al)中基面取向晶粒在生长过程中通常表现出择优生长行为,导致基面织构难以减弱甚至强化,碱土元素Ca或稀土元素的添加可促进非基面取向晶粒生长。然而,对于不同成分镁合金,再结晶过程中的形核和生长行为及织构演变呈现出复杂多样的情况。 针对上述存在问题,本文基于准原位背散射电子衍射(EBSD)技术,揭示了Al、Ca和Nd元素对低合金含量镁合金非连续SRX晶粒形核取向、晶粒生长行为以及非基面织构形成的影响机制;阐明了Al、Ca元素溶质晶界偏聚对再结晶晶粒生长行为的影响规律,揭示了Mg-Al-Ca合金织构弱化和演化机制;重点讨论了不同织构类型(TD扩展织构和ED分裂织构)与位错滑移和孪生行为之间的关联,为调控镁合金织构及力学性能提供一定理论指导。主要结论如下: (1)研究了不同退火温度下Mg-1Al合金的静态再结晶行为和织构演变规律。冷轧态Mg-1Al合金包含大量剪切带和拉伸孪晶,呈现出典型的强基面织构,即{0001}(11(?)0)织构。随后退火过程中,基面织构明显弱化并伴随沿RD宽化,以及观察到明显的(10(?)0)织构组分,且织构组分的转变受退火温度影响较小。 (2)揭示了基面织构弱化机制以及特殊的(10(?)0)织构组分形成机制。剪切带作为主要形核位点,诱导再结晶过程中沿RD集中分布的细小再结晶晶粒形核,且晶粒取向为晶粒c轴与ND夹角优先分布在20°-45°,导致基面织构弱化和宽化。此外,具有(10(?)0)取向的再结晶晶粒呈现出择优生长趋势,主要归因于30°取向关系低能晶界的存在,且高温退火条件加剧了这种生长差异行为,从而导致450℃退火1 h后形成明显的(10(?)0)织构组分。 (3)探讨了碱土元素Ca微合金化对Mg-Al合金静态再结晶过程中微观组织和织构演变的影响规律。重点讨论了剪切带内部微观结构对再结晶形核取向的潜在影响机制,微量Ca添加促进冷轧过程中剪切带内高密度锥面(c+a)位错的激活,诱导再结晶过程中大量TD取向晶粒定向形核,显著弱化退火态合金织构,实现了织构类型由Mg-1Al合金的RD扩展织构向Mg-1Al-0.3Ca合金的TD扩展织构的转变。 (4)阐明了晶界取向差角与溶质晶界偏聚间的内在关联,揭示了溶质元素Al、Ca在晶粒生长过程中的重要作用及TD织构组分形成机制。Al含量提高导致Mg-2Al-0.3Ca合金形成明显TD织构组分,主要源于晶界处Al、Ca溶质原子的非均匀偏聚现象,即再结晶晶粒间晶界取向差角相对越小,溶质偏聚浓度越高,导致不同取向晶粒间生长速率存在显著差异,促进高取向差角的TD取向晶粒择优生长,从而诱导TD织构组分形成。 (5)揭示了稀土元素Nd微合金化对非连续SRX过程中非基面织构形成机制及塑性变形行为的影响。退火态Mg-1.50Nd合金呈现非基面织构,主要归因于剪切带诱导的大量非基面取向再结晶晶粒的优先生长,主要与晶粒尺寸优势和高取向差角密切相关。非基面织构Mg-1.50Nd合金表现出明显的屈服各向异性和不连续屈服行为,随着拉伸变形方向相对ED角度增加(0°-90°),屈服强度增加而屈服延伸率逐渐减小。 (6)揭示了屈服各向异性和不连续屈服行为的织构影响机制。不同位错类型的激活受织构特征和加载方向的影响,基面(a)位错主导屈服变形诱导不连续屈服行为;非基面滑移的激活、高密度纳米第二相和沿位错线处的溶质偏聚则显著阻碍了位错运动并提供高应变硬化能力,导致屈服行为转变为连续屈服和屈服强度提高。

关键词： 稀土镁合金   合金化   热处理   阻燃性能   挤压成形  

摘要： 由于镁合金优良的轻量化效果,其在交通运输和航空航天等领域的应用始终受到高度关注。但其应用领域的拓展也受限于易燃性和较差的塑性变形能力。镁合金部件的阻燃性是其在这些领域应用的重要考量。基于此,本文以Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金为研究对象,通过合理调控阻燃合金元素（Ca、Be）、调整铸造、热处理、挤压工艺获得力学性能满足要求的高速列车用铸态及挤压态阻燃镁合金。采用扫描电子显微镜、电子背散射仪、透射电子显微镜及X射线衍射仪系统研究了合金元素对合金组织演变、力学性能及阻燃性能的影响规律。通过热处理工艺制备出铸态力学性能较好的阻燃镁合金。选用Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr-1Ca合金进行挤压成形工艺,利用挤压后热处理工艺制备高强韧挤压态阻燃镁合金。本文重点研究了该系列合金的组织演变、力学性能及阻燃机制,希望能够为开发高性能阻燃镁合金产品提供重要的理论支撑。 首先研究Ca和Be元素对电磁搅拌Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金微观组织及力学性能的影响,调控元素改善合金组织形貌、晶粒尺寸以及第二相形态、尺寸、含量、分布,确定阻燃镁合金成分。Be和Ca元素对Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金均有明显的晶粒细化作用,但过量添加Ca元素晶界处形成的连续性网状结构Mg2Ca脆质硬化相,降低合金力学性能。合金由α-Mg、Al2RE及Mg41Nd5相组成。经过T6处理,1wt.%Ca元素合金抗拉强度251 MPa、屈服强度220 MPa,伸长率为6%。组织中形成大量的纳米尺寸的析出相,合金时效强化效果的主要原因是β′相的析出。添加0.04wt.%Be元素合金由α-Mg、Al2RE及Mg41Nd5相组成。T6处理后晶粒内析出相降低了晶粒内部的晶格畸变能,有效阻止位错和晶界的交互作用,从而提高合金强度。合金拥有最佳的综合性能,抗拉强度为253 MPa,屈服强度达到209 MPa,伸长率为8%。 研究Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr-x Ca/Be合金进行阻燃性能及高温氧化行为,对不同组分合金分别进行了高温氧化实验,研究不同温度下合金的氧化行为,从而对合金的高温抗氧化性能做出评价。Ca和Be的添加能显著提高镁合金的燃点,但Ca元素阻燃效果优于Be元素。添加Be元素改变了氧化表层区域氧化热力学条件,在外层以下通过置换反应或者内氧化生成结构致密的Be O,增强了氧化膜的致密性,降低了氧化速度。Ca元素的添加使合金在表面形成连续Ca O/Y2O3膜,可以有效地延缓了氧离子O2-的向内扩散,提高合金在高温下的抗氧化性。Ca含量越多燃点提高幅度越大,与此同时合金抗氧化能力也得到提升。对于高铁用镁合金阻燃性能的要求,三种含Ca镁合金均可在900°C不发生燃烧,但过高的Ca元素含量会降低合金的力学性能,因此选用Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr-1Ca合金。 通过不同温度下挤压变形及后续热处理,制备综合力学性能较好的阻燃镁合金板材。分析表征了阻燃镁合金组织和性能。在较低的挤压温度440°C和470°C下,再结晶以连续动态再结晶机制为主导,当温度升高至500°C时非连续动态结晶机制为主导,且粒子激发形核机制在所有挤压过程中多种机制共同发挥作用,弱化了合金的织构。在挤压温度为500°C时,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为221 MPa、165 MPa和8.5%。合金经过固溶+深冷+短时间时效处理后,挤压态合金力学性能最好,抗拉强度为259 MPa、屈服强度为224 MPa、伸长率为8%。在短时间时效处理后,晶粒尺寸较小;另一方面,由于在时效处理后合金产生纳米级析出相,细小的析出相能够有效钉扎位错,从而阻碍位错运动,起到弥散强化的作用,从而提高了合金的强度。

关键词： AZ31镁合金   管状羟基磷灰石   电泳沉积   复合载药涂层  

摘要： 镁合金因其具有良好的力学性能,能够给骨骼提供很好的支撑作用,并且具有良好的生物相容性,故作为植入物也不会对人体产生剧烈的排斥反应;镁合金具有可降解性,可以使得患者不用遭受二次手术的心理压力,基于以上几点,镁合金早已成为国内外专家的研究热点。但是镁合金腐蚀速率过快,使得局部产生大量氢气和重金属离子,这不仅会使得镁合金丧失原有的支撑能力,还会在人体产生炎症,危害人体健康。基于以上原因,本文制备多种形貌的羟基磷灰石(HA),并用管状羟基磷灰石(HAT)通过电泳沉积法在镁合金上制备一层涂层,在该层上进行药物装载,防止人体在该涂层植入之后产生炎症,外层包覆一层聚合物,该层在能够极大的提高涂层的抗腐蚀能力的同时也能够延长药物释放时间。 首先,通过水热法制备了HAT,同时对在水热之前浆料的反应温度对HA形貌的影响进行了分析和比较,通过比较不同反应温度下制备的HA的微观形貌,选出最适合载药的形貌,并对其通过浸泡进行载药,通过控制变量法对HAT载药量和棒状羟基磷灰石(HAR)载药量进行了对比。接下来使用HAT与粉末状羟基磷灰石(HAP)通过电泳沉积法在镁合金表面制备一层HA涂层,并且通过控制变量法探究了电泳沉积过程中的最佳参数,并对HA涂层进行了药物阿莫西林(AMX)装载。最后在羟基磷灰石载药涂层(HA@AMX涂层)的最外层通过提拉法制备了一层含有不同HAP掺杂比例的聚己内酯(PCL)涂层,从而形成了双层结构。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱仪、X射线衍射、傅里叶红外光谱等分析测试手段对HA的微观结构及组成成分进行了表征。并通过电化学测试、体外药物释放实验、体外抗菌实验、生物相容性实验等手段对HA@AMX涂层及复合载药涂层(HA@AMX-PCL)的性能进行了探究。 实验结果表明,在浆料的反应温度为40℃时,所制备的HA成管率最高,并且管径也最大,是一种较为理想的载药材料。热重分析结果也证实,HAT的载药量比HAR的载药量更大。通过控制变量法得出电泳沉积的最佳参数为电解液温度为0℃,电压为20V,并且该涂层在载药后能达到48小时的药物持续释放。通过电化学测试与生物相容性实验表明,在AZ31镁合金包覆一层HA能够提高基底的抗腐蚀性能及生物相容性。HAP掺杂会使得PCL表面产生孔洞,通过实验表明,掺杂的HAP比例越高,孔隙率也会随之升高。孔隙率增高的同时,涂层的抗腐蚀性能也会随之下降,孔隙率较高时,一方面涂层的抗腐性能较低,另一方面前期药物释放过快,导致局部药物浓度过高,这也会对生物相容性产生一定的影响,但是孔隙率较小时,药物释放过于缓慢。最终确定为3wt.%HAP掺杂效果最佳,不仅可以有效地提高涂层的抗腐蚀性能和生物相容性,而且能使得药物的缓释时间提升至16天。