Mg-Gd-Y系合金相图的计算与扩散偶法验证

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镁合金是世界上最轻的金属结构材料,具有非常广泛的应用前景,引起世界范围内材料界的广泛关注和研究。含稀士的镁合金,特别是Mg-Gd-Y系合金即具有普通镁合金的固有优点,同时也具有耐热强度高、蠕变性能优良的特点,因而成为目前高强韧耐热镁合金研究的热点。在材料科学研究中,相图具有不可替代的重要作用,但目前对于Mg-Gd-Y系合金相图的研究较少,制约了稀土镁合金的发展。本文首次将扩散偶相图测定和验证方法引入到Mg-Gd-Y系合金相图的研究中,对扩散偶的制备方法、真空等温平衡处理方法、平衡相成分的测定等方面进行试验分析,并用此法对采用多相平衡计算技术计算的Mg-Gd-Y系合金相图进行分析和验证。采用商用多相平衡计算软件Pandat及镁合金热力学数据库绘制出了Mg-Gd系合金、Mg-Y系合金、Mg-xGd-3Y系合金的计算平衡相图,确定合金的相区及相成分组成,并通过差示扫描量热分析(DSC)测定出Mg-20Y、Mg-9Gd-3Y合金的相转变温度,与计算出的合金相转变温度进行对比,实验数据与计算数据误差较小,证明采用商用多相平衡软件Pandat和镁合金热力学数据库计算的Mg-Gd-Y系合金相图可靠观察了Mg-20Gd、Mg-20Y、Mg-9Gd-3Y种合金铸态、固溶态和平衡处理态的金相显微组织,并采用X射线衍射仪分析了三种合金达到平衡态的室温组织。结果表明:Mg-20Gd合金室温组织为-Mg+ Mg5Gd;Mg-20Y合金室温组织为a-Mg+Mg24Y5;Mg-9Gd-3Y合金的室温组织为α-Mg+Mg24Y5+ Mg5Gd。试验结果与计算相图结果一致。对三种合金在520℃,8h+300℃,144h平衡处理后的TEM显微组织结构进行分析结果表明:Mg-20Gd合金的沉淀析出相为细小的竹叶状结构的亚稳相Mg3Gd,大量密集分布在基体中,并观察到Mg5Gd相和Mg3Gd相共存的现象。表明144小时处理后合金尚未达到平衡;Mg-20Y合金的沉淀析出相为粗大的棒状结构,为稳态相Mg24Y5; Mg-9Gd-3Y合金的沉淀析出相的形状类似于平行四边形,在基体内聚集分布,标定后可知为稳态相Mg5(Gd, Y)和Mg24(Gd, Y)5。采用扩散偶的方法进一步对计算相图进行验证,发现采用铆钉法扩散偶制作过程简便,适合稀土镁合金。通过对Mg-Gd、Mg-Y扩散偶试样在400℃和450℃相平衡成分的试验结果分析后可知,Mg-Gd扩散层中共有5个两相区和2个单相区,Mg-Y扩散层共有4个两相区和2个单相区,这一试验结果与Mg-Gd,Mg-Y合金平衡计算相图相区与相区组成完全一致,进一步证明Mg-Gd-Y系计算合金相图是准确可靠的。
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