Mg-Zn-RE準(zhǔn)晶中間合金的制備及擠壓鑄造準(zhǔn)晶增強鎂基復(fù)合材料研究.pdf

1、鎂合金作為實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、電子通信以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但是鎂合金自身存在強度低、抗氧化性能差以及高溫抗蠕變性能差等問題，限制了其作為某些結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。二十面體準(zhǔn)晶相（I-phase）由于其特殊的結(jié)構(gòu)而使其具有高熱力學(xué)穩(wěn)定性、高硬度、高強度等性能，它作為一種增強相可顯著提高鎂合金的力學(xué)性能，為鎂合金強化提供了一種新途徑。
　　本文首先采用常規(guī)鑄造法制備了 Mg-Zn-RE（Y、Nd）準(zhǔn)晶中

2、間合金，研究了合金元素含量和冷卻速度對合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，分析了熱處理過程中的組織變化規(guī)律以及準(zhǔn)晶相的熱穩(wěn)定性，探討了二十面體準(zhǔn)晶相的形成機制和生長方式。其次，采用擠壓鑄造法制備了含 I-phase的Mg-Zn-Nd合金，研究了擠壓壓力對合金顯微組織和硬度的影響。最后，以AZ91D合金為基體，采用擠壓鑄造法制備了Mg-Zn-Y準(zhǔn)晶增強的鎂基復(fù)合材料，研究了擠壓壓力、澆注溫度以及準(zhǔn)晶中間合金含量對材料顯微組織和力學(xué)性能的影響，并

3、對強化機制進行了分析。
　　研究結(jié)果表明，常規(guī)鑄造條件下，Zn、Y含量都會影響Mg-Zn-Y合金的顯微組織，Y元素的影響比Zn元素顯著。Mg-45Zn-xY合金主要由α-Mg相、I-phase和Mg7Zn3相組成，隨著Y含量的增加，合金中形成了花瓣狀準(zhǔn)晶相，當(dāng)Y含量達到10.0wt％時，準(zhǔn)晶呈現(xiàn)為多邊形狀，且合金硬度達到最大值，為89.0HRB；當(dāng) Zn含量為30.0wt%和40.0wt%時，Mg-xZn-2.5Y合金組織主要由α

4、-Mg基體、MgZn枝晶以及層片狀的（α-Mg+Mg7Zn3）共晶組織組成，Zn含量為45.0wt%和50.0wt%時，合金由Mg7Zn3基體、α-Mg枝晶以及（α-Mg+I-phase）共晶組織組成，且Mg-50Zn-2.5Y合金組織中出現(xiàn)了花瓣狀準(zhǔn)晶相，其硬度達到最大值，為84.5HRB；MgZn6xYx合金主要由α-Mg基體和晶界附近的（α-Mg+I-phase）共晶組織組成，Y含量增加時，共晶組織含量增加，尺寸增大，由不連續(xù)分布

5、轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)分布，基體晶粒細(xì)化，當(dāng)Y含量為2.0at%時，合金的硬度達到最大值，為54.0HRB；Mg95.1Zn4.2Y0.7合金經(jīng)過400℃熱處理12h后，晶內(nèi)出現(xiàn)了大量彌散分布且高溫穩(wěn)定的準(zhǔn)晶相。
　　冷卻速度對Mg-45Zn-10.0Y合金組織有顯著影響。冷卻速度越大，準(zhǔn)晶顆粒尺寸越小，采用1、2、3、4號模具得到的準(zhǔn)晶尺寸分別為30μm、15μm、12.5μm和9μm；Mg-45Zn-10.0Y合金從表面到心部的顯微組織表

6、明，表面的準(zhǔn)晶數(shù)量較多，尺寸較小，約為35μm，近似花瓣狀，花瓣末端為平整的幾何平面，心部組織中的準(zhǔn)晶大多為多邊形狀，花瓣狀準(zhǔn)晶較少，此時花瓣狀和多邊形狀準(zhǔn)晶的尺寸分別為50μm和20μm。
　　常規(guī)鑄造Mg-45Zn-xNd、Mg-50Zn-xNd合金的鑄態(tài)顯微組織主要由Mg7Zn3基體、黑色α-Mg枝晶、層片狀（α-Mg+MgZn）組織、Mg40Zn55Nd5二十面體球狀準(zhǔn)晶相和桿狀相組成，Nd、Zn元素含量會影響合金中三元相

7、的形態(tài)；Mg-45Zn-1.5Nd合金的熱處理研究表明，隨著熱處理時間的延長，組織均勻化程度提高，α-Mg枝晶不斷溶解，層片狀組織完全消失，高溫穩(wěn)定的球狀準(zhǔn)晶相含量增加，尺寸減小，合金的硬度和抗拉強度增大，330℃×6h處理后合金的硬度和抗拉強度分別為85.5HRB和168MPa，比鑄態(tài)試樣提高了6.2%和48.7%；擠壓鑄造Mg-45Zn-2.5Nd合金主要由Mg7Zn3基體、α-Mg枝晶、層片狀（α-Mg+MgZn）組織、Mg40Z

8、n55Nd5球狀準(zhǔn)晶相以及 Mg36Zn60Nd4多邊形相組成，當(dāng)擠壓壓力為150MPa時，合金中生成了大量的球狀準(zhǔn)晶相，且硬度達到最大值，為85.2HRB。
　　研究結(jié)果表明，Mg-Zn-RE合金中的二十面體準(zhǔn)晶相直接從液相中析出，其中Mg-Zn-Y合金中的準(zhǔn)晶相主要呈現(xiàn)五朵花瓣狀、六朵花瓣狀和多邊形塊狀形態(tài)，而Mg-Zn-Nd合金中的準(zhǔn)晶相為球狀。
　　擠壓鑄造法制備得到的Mg-Zn-Y準(zhǔn)晶增強鎂基復(fù)合材料的顯微組織主要

9、由α-Mg基體、晶界上分布的β-Mg17Al12相以及 Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶顆粒組成。擠壓壓力增大，鎂基復(fù)合材料的顯微組織細(xì)化，α-Mg樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，β-Mg17Al12相和Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶相含量增加；隨著澆注溫度的升高，晶界上的β-Mg17Al12組織細(xì)化，α-Mg有長大趨勢；準(zhǔn)晶中間合金含量也會影響鎂基復(fù)合材料的顯微組織，當(dāng) Mg-Zn-Y準(zhǔn)晶中間合金含量為5wt%時，組織細(xì)小均勻，部分β-Mg17Al12相斷開，當(dāng)準(zhǔn)晶中間合

10、金含量為3wt%、7wt%和10wt%時，組織不均勻程度增加，均出現(xiàn)了大小晶粒交錯的雙峰結(jié)構(gòu)。研究得到的最佳準(zhǔn)晶中間合金含量為5wt%、擠壓壓力為100MPa、澆注溫度為700℃，此時抗拉強度和斷后伸長率均達到最大值，分別為194.3MPa和9.2%。擠壓鑄造制備準(zhǔn)晶增強鎂基復(fù)合材料的強化機制為細(xì)晶強化和準(zhǔn)晶顆粒強化。
　　本研究為鎂基復(fù)合材料的開發(fā)提供了一種新的增強相和制備工藝：以二十面體準(zhǔn)晶為增強相，采用擠壓鑄造法，優(yōu)化準(zhǔn)晶中