铸造高强耐热GW63K镁合金组织性能、疏松缺陷表征与调控

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Mg-6Gd-3Y-0.5Zr(wt.%,GW63K)镁合金具有良好的抗拉强度和抗蠕变性能,在交通运输、航空航天、国防军工等领域中具有广阔的应用前景。目前,针对该合金的研究主要集中在组织演变、使役性能等方面,这些研究都是基于在所研究样品没有缺陷的前提条件下。然而在大型复杂铸件的生产过程中,不可避免地会产生疏松缺陷,尽管消除或减少疏松缺陷是铸造镁合金在工业应用的技术瓶颈之一,但目前针对铸造镁合金中疏松缺陷的研究较少,对GW63K镁合金的相关研究尚为空白。为了推进GW63K镁合金的轻量化应用,本文系统地研究了该合金中疏松形成的条件、疏松对力学性能的影响并探索减少或消除疏松的工艺,最后研究了热处理工艺参数对组织和力学性能的影响规律,研究结果将有助于优化与调节GW63K镁合金的拉伸性能。本文首先计算预测了 GW63K镁合金中疏松缺陷的分布与含量。得到最优的Niyama计算条件为固相分数0.7,而不是ProCAST软件和之前研究所推荐的计算条件(固相分数为0.9),重力和低压铸造铸件中形成疏松缺陷的临界Niyama值分别为0.44℃0.5s0.5mm-1和0.3℃0.5s0.5mm-1。无量纲Niyama判据能较好地定量计算疏松较轻位置的疏松体积含量,但是不能准确计算疏松较重位置的疏松体积含量,计算值要明显低于实际值。从定性和定量两个角度分析了疏松与拉伸力学性能的关系。定性结果表明,抗拉强度和延伸率都随着疏松级别提高而下降,可以通过疏松级别大致判断样品的拉伸力学性能。定量结果表明,临界应变模型并不适合GW63K镁合金计算拉伸力学性能,这可能和部分疏松会降低热处理效果及疏松中存在大量的搭接(而非临界应变模型中假设的理想孔洞)有关,而根据经验公式法,拉伸力学性能和疏松具有良好的对应关系。初步尝试热等静压在镁合金中的应用,热等静压能有效减少GW63K镁合金中的疏松含量,疏松通过晶粒间的协调变形及后续结合界面处元素扩散发生闭合,形成冶金结合界面。此外,热等静压消除疏松的效果还与样品的初始疏松含量有关,在初始疏松含量较低的样品中,热等静压处理的效果较好,这种性能改善效果可能和镁合金种类无关。本文还研究了热处理工艺参数对重力铸造GW63K镁合金力学性能的影响。固溶温度与固溶时间对合金屈服强度的影响不大,在Mg24(Gd,Y)5相完全固溶的条件下,应选取最短的固溶时间与最低的固溶温度,得到最优的固溶条件为475℃固溶4 h。固溶处理条件对后续的时效硬化效果不会产生明显影响,而时效温度对GW63K的时效硬化行为与力学性能影响较大,在时效平台期,时效时间对力学性能的影响较小,最优的时效处理工艺为200℃时效100h。
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