Mg-Ho-Zn合金组织及性能的研究

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镁合金具有密度小、比刚度高、阻尼性能好等诸多优点,是一种在汽车、交通、航空航天等领域有广阔应用前景的工程材料。然而,铸造镁合金材料仍然因力学性能低、耐蚀性较差等缺点难以满足工业上的使用要求。因此,开发高性能的新型铸造镁合金得到了国内外的广泛关注。目前,采用稀土合金化的方法,在镁合金中生成特殊的组织结构,如长周期有序堆垛结构(LPSO)、准晶等,可提高镁合金的强度。其中Mg-RE-Zn系合金被认为是具有良好发展前途的高强镁合金体系。国内外的研究主要集中于添加Y、Gd、Dy、Er等稀土元素方面,对于添加Ho元素的研究报道相对较为有限。因此,系统地设计Mg-Ho-Zn合金的成分,并在此基础上研究其组织与性能间的内在联系,对高性能镁合金的开发和应用具有重要的理论和实际价值。本文设计了不同Ho含量的Mg-xHo-2Zn(x=4,6,8 wt.%)合金,以铸态合金为研究对象,通过光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉伸性能测试设备、纳米压痕设备和电化学分析系统等仪器设备对合金的微观组织、物相组成、室温和高温下的拉伸力学性能及耐腐蚀性能等进行了研究。系统地观察和分析了不同Ho含量的合金组织结构的演变、力学性能的变化规律及其在腐蚀介质中腐蚀进程的发展变化。得到了以下研究结果:(1)随着Ho含量的增加,合金的晶粒尺寸逐渐细化;当Ho含量为4 wt.%或6 wt.%时,合金主要由α-Mg和W相组成。而当Ho含量增加到8 wt.%时,合金主要包括α-Mg,W相和LPSO相;当Ho含量为4 wt.%或6 wt.%时,第二相主要是沿晶界分布的网状结构。而当Ho元素增加至8 wt.%时,合金中形成了沿晶界分布的精细条纹状18R-LPSO,并且W相在凝固过程中得到细化。(2)在纳米压痕测试实验中,Mg-xHo-2Zn(x=4,6,8 wt.%)合金基体的弹性模量和硬度值随Ho元素含量的升高而增加;合金中主要的第二相W相的弹性模量和硬度值分别高于LPSO相的弹性模量和硬度值。(3)随着Ho含量的增加,合金的强度和伸长率在室温下逐渐升高;但在300℃时,Ho含量的增加使合金的屈服强度和抗拉强度升高,但伸长率却略微降低;在室温下随着Ho含量的升高,合金的应变硬化能力下降,而在300℃时,随着Ho含量的升高应变硬化能力逐渐升高;在室温下,Mg-4Ho-2Zn和Mg-6Ho-2Zn合金都呈现混合断裂的特征,而Mg-8Ho-2Zn的主要断裂机制为韧性断裂。在高温下,Mg-4Ho-2Zn和Mg-6Ho-2Zn合金主要为韧性断裂,而Mg-8Ho-2Zn合金则呈现混合断裂特征。(4)三种合金的的腐蚀电流密度随着Ho含量的增加从5.0×10-5 A/cm2降低到1.6×10-5 A/cm2,而腐蚀电位从-1.574 VSCE增加到-1.548 VSCE,说明随着Ho含量的增加,合金发生腐蚀的程度降低。三种合金有相同的腐蚀机理,但其耐腐蚀性能不同。Mg-8Ho-2Zn合金的Rct值分别是Mg-4Ho-2Zn和Mg-6Ho-2Zn合金的2.3倍和1.4倍,与Rf的变化趋势一致。说明随着Ho含量的增加,合金的抗腐蚀性能增强。(5)三种合金的腐蚀均是以局部点蚀为主,小的腐蚀坑随着浸泡时间的增加逐渐增多且向周围扩散,最终合并成大的腐蚀坑。由于Ho含量的增加,Mg-8Ho-2Zn合金中形成了LPSO相,LPSO相会延缓腐蚀进程,在一定程度上起到提高合金耐蚀性能的作用。
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