组分优化对WE43镁合金显微组织与力学性能的影响

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针对WE43镁合金存在塑性差、性能提升潜力低的问题,采用多元稀土复合强化与添加改性元素的方法对WE43合金进行了组分优化,并分析其显微组织演变与力学性能变化规律与机制。根据多元稀土组分的复合强化作用,通过添加Gd元素及调整各稀土组分来增加形核密度、提高强化相析出效率、减少脆性共晶相体积,以此实现合金力学性能优化。合金稀土总量在WE43与WE54之间,通过多元稀土获得优于此二者的强化相析出效率,Gd添加量在控制在1.0 wt.%,既起到改良效果又避免大量形成尖锐块状相。在主强化稀土组分优化的基础上,通过添加不同的微合金化改性元素来调控合金的不同特性,以满足实际应用对材料的差异性需求。根据研究结果得出以下结论:(1)在WE43合金中引入Gd及调整稀土组分起到增加形核密度、提高强化相析出效率的效果。添加Gd后,合金晶粒有一定程度细化,脆性共晶相减少并改善了形态,没有形成对力学性能不利的大尺寸尖锐块状相。合金的主要强化相为β′相,其尺寸随着时效温度的升高而增大,密度与数量则相应减少。通过添加Gd带来多元稀土复合强化效果,导致析出相析出效率增加和晶粒细化是合金力学性能提升的主要原因。较低的时效温度导致析出相更加致密和细小,对合金强度的影响更加明显;时效温度提高后,有限的低密度析出区域一定程度上改善了合金的塑性且强度并未降低。(2)Zn的加入使组分优化合金的晶粒得到细化。低Zn含量时,合金的显微组织存在少量Mg5RE相与层片状Mg12REZn相;当Zn含量增加时,LPSO相的数量与体积快速增加。改性合金表现出明显的时效强化效果,添加Zn后的合金到达时效峰值的时间均明显缩短。Zn含量较低时,通过对稀土元素的置换减小β′析出相的尺寸,强化相的数量和密度均得到了提升,进一步增强了合金的析出强化效果,导致合金强度的显著提高和塑性的显著下降。Zn的进一步增加会导致含Zn粗大LPSO相的形成,抑制强化相β′相的形成,导致强度下降。(3)添加Ag改性后,降低了Gd元素在基体中的弥散状态,削弱了多元稀土的复合强化作用。加入Ag后可在显微组织中形成尺寸较小边缘圆整的富Ag相,一种是Mg24(RE,Ag)5相,另一种则与γ相接近,仅在Ag含量较高时存在,且数量很少。Ag抑制了金属间相的长大及有害析出相的形成,使合金塑性得到改善,并因显微组织内低析出密度区域的增多而使合金的塑性较热处理前没有明显的下降。但由于含Ag金属间相消耗了更多的稀土元素,抑制了β′相及β相的数量密度,导致合金的析出强化效果较未改性的合金没有明显提升。(4)添加Sc改性后,对合金的显微组织产生了明显的变质作用,合金显微组织的晶粒尺寸、析出相形貌均得到了显著的细化。时效态含Sc合金的抗拉强度随着Sc含量的增加先提高后降低、屈服强度随着Sc含量的增加而提高、伸长率则随着Sc含量的增加而有所降低。Sc引起的显微组织细化及析出相密度的增加是合金强度与塑性均得到提高的主要原因。含Sc合金中析出相的尺寸略大、数量更多,并具有更为分散的低析出密度区域,因此其强化晶界、提高强度的效果更加明显,同时也因组织与析出相的细化使合金保有较好的塑性。(5)通过Sm替换Nd来优化合金轻稀土组分,铸态合金共晶相总量没有变化,但体积与形态随Sm的增加而有明显变化。铸态合金的力学性能随着Sm含量的提高,合金的抗拉强度,屈服强度,伸长率先增加后降低。峰值时效态合金的室温力学性能随着Sm含量的增加而先增加后降低,在含1.5 wt.%Sm时达到最高。合金主要强化相随着Sm含量变化先增多后减少的变化规律,以及合金显微组织金属间相先细化再粗化的变化过程是影响合金力学性能变化的主要原因。
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