【摘 要】
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汽车行业对轻量化,环保化的需求越来越高,特别是新能源汽车的发展,使得汽车行业对车用结构材料的关注日益提升。但由于镁合金的耐腐蚀性能差,这大大限制了它在工业领域上的大规模应用。近年来,向Mg-Zn合金中加入稀土元素得到的Mg-Zn-RE合金引起了研究者的极大兴趣。其中轻稀土元素La和Ce加到Mg-Zn合金中,会形成多种金属间化合物。本文通过向Mg-4Zn合金中添加轻稀土La和Ce,通过微观结构表征和
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汽车行业对轻量化,环保化的需求越来越高,特别是新能源汽车的发展,使得汽车行业对车用结构材料的关注日益提升。但由于镁合金的耐腐蚀性能差,这大大限制了它在工业领域上的大规模应用。近年来,向Mg-Zn合金中加入稀土元素得到的Mg-Zn-RE合金引起了研究者的极大兴趣。其中轻稀土元素La和Ce加到Mg-Zn合金中,会形成多种金属间化合物。本文通过向Mg-4Zn合金中添加轻稀土La和Ce,通过微观结构表征和性能实验来探究所形成的二元及三元相的力学性能和热力学性能,从而为开发新型的镁合金提供理论基础。在实验中,制备了Mg-4Zn-2.4RE（RE=Ce,La）-0.5Zr铸态合金,并对铸态合金进行了固溶处理和时效处理。在未添加稀土元素的铸态合金中,主要是α-Mg和Mg-Zn相,晶粒尺寸很粗大,而添加稀土元素后的合金晶粒变得细小。光学显微组织显示出Ce元素的晶粒细化效果要好于La元素。此外,对铸态合金进行固溶处理的最佳条件为460℃固溶10h,而时效的最佳工艺条件为200℃时效16h。扫描电镜下的铸态合金显微组织主要是Mg基体和晶界处的非平衡共晶组织,经固溶处理后,晶界处的非平衡共晶组织溶解。固溶+时效处理后的合金中出现很多亮白色细小的Mg12Ce和Mg12La析出相,晶界处有CeMgZn2和LaMgZn2相。在XRD衍射分析中,铸态合金的衍射峰主要由α-Mg,H-MgZn2和M-MgZn2相贡献。固溶处理后有二元稀土相的衍射峰,而Mg-Zn相的衍射峰减弱。固溶+时效处理后,H-MgZn2相的峰重现,说明时效处理后有H-MgZn2相析出。显微维氏硬度测试结果表明,合金在时效16h时达到硬度峰值,添加Ce元素的合金硬度峰值为63.10Hv,添加La元素的为60.78Hv。在第一性原理计算方面,在形成焓的计算中,除M-MgZn2相的形成是吸热反应外,其他五种相的形成都是放热反应,且形成能力由强到弱为:CeMgZn2>LaMgZn2>H-MgZn2>Mg12La>Mg12Ce>M-MgZn2。在态密度的分析中,M-MgZn2、H-MgZn2、Mg12Ce和Mg12La相中均存在共价键键合,且在二元的Mg12RE中还形成了离子键键合,而在三元相中没有显示出明显的共价键存在。单晶弹性常数表明,在沿a轴方向,CeMgZn2相很难被压缩;沿c轴方向,H-MgZn2的可压缩性最低。多晶弹性常数显示稀土相的硬度值均高于Mg-Zn相,这说明稀土元素的添加可以增强材料的硬度。剪切模量各向异性因素表明LaMgZn2在（100）和（001）面具有最高的剪切各向异性,而M-MgZn2在（010）面上具有最大的各向异性。德拜温度与导热率和热稳定性呈正相关。德拜温度由大到小排序为:Mg12La>Mg12Ce>H-MgZn2>LaMgZn2>M-MgZn2>CeMgZn2。这意味着Mg12La在这六个相中具有最高的热导率和最佳的热稳定性。实验结果和计算结果都表明添加Ce元素的合金组织和性能都优于添加La元素的合金。其中,在XRD测试分析结果中,在时效过后,重新出现H-MgZn2相的峰,但是M-MgZn2相的峰没有出现;在形成焓的计算结果中M-MgZn2相是亚稳相,而H-MgZn2相是稳态相,实验和计算得到的结果是一致的。此外,在硬度测试中,添加Ce元素的合金硬度都比添加La元素的合金硬度值要高,而在弹性常数的计算中,CeMgZn2相在这六个相中具有最大的硬度,且不论是二元还是三元稀土相的硬度都要比Mg-Zn相的硬度值要大,这说明添加稀土元素可以有效增强合金的硬度,实验结果和计算结果是吻合的。
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