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Mg-Gd-Zn快速凝固及烧结合金的组织和力学性能

【摘要】:镁合金具有高比强度、优良铸造性和优异加工性等优点,在航天、汽车等领域得到广泛应用。本文采用了一种新的制备流程:快速凝固喷带+放电等离子烧结工艺,制备出力学性能优异的镁合金块体,同时研究了工艺参数对镁合金组织和力学性能的影响规律。本文主要研究结果如下:(1)基于Mg-Gd-Zn系镁合金可形成具有显著强化作用的二次相的设想,确定了三种合金成分:Mg96.9Gd2.7Zn0.4、Mg61.6Gd4.4Zn34和 Mg97Gd1Zn2,他们将会分别析出LPSO相、准晶相和W相。研究结果显示:传统凝固(即铸态)的Mg96.9Gd2.7Zn0.4合金的组织呈枝晶结构,一次枝晶发达且呈细长棒状(长约100μm),同时晶界上分布着呈网状的二次相Mg3(Gd,Zn),而且基体上含约1.4at.%(即8.4wt.%)的Gd原子。传统凝固的Mg61.6Gd4.4Zn34合金组织粗大,以尺寸约为1OOμm×11μm的板条状相(τ相,Mg59Gd6Zn35)为主,同时还含有网状的(Mg,Gd)7Zn3相、附着在τ相之上的尺寸约为21μm的H1相(Mg26Gd14Zn60)以及的尺寸约3μμm的MgZn相。传统凝固的Mg97Gd1Zn2合金呈现枝晶结构,一次枝晶发展不充分,二次枝晶呈胞状晶粒特征,尺寸约13μm,二次相W相沿着晶界成网状分布,基体中含有少量的Gd(0.3at.%)。力学性能结果表明,上述三个合金的抗压强度分别为292MPa、539MPa、234MPa;断裂应变分别为0.15、0.04和0.13;Mg61.6Gd4.4Zn34合金无明显屈服阶段,Mg96.9Gd2.7Zn0.4和Mg97Gd1Zn2合金的屈服强度分别为170MPa进而132MPa。(2)探明了加热功率、加热时间、喷射压力、铜辊转速等工艺参数对快速凝固镁合金薄带成型的影响规律。在加热功率12-25kW,喷射压力20-100Pa,腔体真空度为1×10-3-2×10-3Pa,铜辊转速为30-35m/s时,上述三个合金都可形成长度连续、厚度和宽度均匀且表面质量优良的镁合金薄带。对于Mg96.9Gd2.7Zn0.4镁合金薄带,尺寸为3600mm×3mm×60μm(平均厚度),该薄带的晶粒尺寸小于1μm,二次相Mg3(Gd,Zn)平均尺寸约64nm;对于Mg61.6Gd4.4Zn34镁合金薄带,最大尺寸约800mm×3mm×30μm,薄带中含有大量的尺寸小于1OOnm的准晶颗粒,以及少量非晶相,或者组织中出现尺寸约20μm的花瓣状相及尺寸约12μm的准晶类晶体相H1;对于Mg97Gd1Zn2镁合金薄带,最大尺寸为2000mm×3mm×50μm,该薄带合的平均晶粒尺寸约为2μm,同时晶界处仍分布着连续网状的W相,但其尺寸得到充分细化。(3)采用放电等离子烧结(SPS)方法进行了镁合金薄带烧结工艺研究,主要工艺参数有:烧结温度、烧结时间和烧结压力(本研究中烧结压为45MPa)等,经过工艺优化后,各烧结合金的力学性能得到显著提升。对于Mg96.9Gd2.7Zn0.4烧结块体,最佳烧结温度为410-450℃C,烧结时间为5min,最佳烧结工艺下的屈服强度、抗压强度和断裂应变分别为316MPa、408MPa和0.16。烧结后晶粒有所长大,尺寸为5-25μm,同时基体上析出了大量片层状的LPSO相,而且LPSO相之间分布着平均尺寸约为106nm的Mg3(Gd,Zn)相。对于Mg61.6Gd4.4Zn34镁合金薄带的烧结块体,最佳烧结工艺为360℃C/5min,抗压强度和断裂应变分别为563MPa和0.044,组织主要由块体的H1相及大量尺寸约1μm的短棒状的μ相构成,薄带中的准晶相消失。对于Mg97Gd1Zn2镁合金薄带的烧结块体,最佳烧结工艺为410℃C/10min(或者450℃C/5min),屈服强度、抗压强度和断裂应变分别为:200MPa、390MPa和0.24,抗压强度和断裂应变提升明显,该烧结块体的晶界不明显,基体上均匀分布着大量尺寸在10-81 Onm的球状W相颗粒。(4)对快速凝固Mg-Gd-Zn烧结块体的强化机制的分析表明,最重要的一种强化方式依然是细晶强化,之后依次是固溶强化、基于LPSO相、Mg3(Gd,Zn)相或者W相二次相强化等强化方式。(5)研究结果表明,含有LPSO相和W相的镁合金更适合采用快速凝固薄带+低温烧结的工艺制备,其块体组织均匀,力学性能优异,可达到传统大塑性变形工艺制备的镁合金具有的性能。同时该工艺更容易调控特定二次相的种类以及形貌和分布。含准晶相的镁合金不适合采用该工艺,因为准晶相高温下不稳定,容易转变为其它晶体相。

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