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Mg-Zn(-Y-Ce)系合金具有优异的室/高温性能,然而该合金系组织组成及部分结构尚未清晰阐明,并因此限制了其深入研究与应用。本文在Mg-6Zn合金基础上添加0.2%~2%Y和0.3%~2%Ce,用常规和快速凝固,以及挤压、往复挤压和往复挤压-挤压联合工艺制备了不同状态下的合金,在用OM、SEM和TEM观察合金组织、用XRD、EDX和SAED确定相结构和成分的基础之上,系统分析Mg-Zn(-Y-Ce)合金组织组成;研究合金元素、挤压参数对再结晶组织的影响;探讨合金的相转变机制、动态再结晶机制和快速凝固薄带焊合机制,为后续研究和材料制备奠定基础。
研究结果表明,Mg-6Zn合金中添加0.2%Y时化合物为层片状Mg4Zn7相和微量颗粒状二十面体准晶I相(Mg3YZn6);添加1%Y时化合物为层片、颗粒状I相和骨头状Mg4Zn7相;添加2%Y时化合物为层片状W相(Mg3Y2Zn3)和I相、颗粒状I相和Mg4Zn7相。颗粒状I相直接从液相析出,层片状I相通过包共晶转变L+W→α’+I形成,并首次发现了层片I相周围的α’相“晕环”。Mg-Zn-Ce合金中主要化合物为T2相((MgZn)12Ce),T2相是Zn替换Mg12Ce相中部分Mg形成的置换固溶体,并确定了其晶体结构为体心正交结构(a=5.35A,b=9.43A,c=10.02A)。Ce添加量为0.6%时,除T2相外,合金中还有少量块状Mg4Zn7相和层片状Mg7Zn3相;Ce添加量为1%和2%时主要为T2相。Mg-6Zn-1Y合金中添加0.3%Ce时,相组成基本不变;添加0.6%Ce和1%Ce时,由于T2相的形成使液相中Zn浓度降低,从而抑制了L+W→α’+I包共晶转变,主要化合物为W相和T2相。Mg-Zn-Y合金随着Y添加量提高,Zn固溶度降低,但Y元素可促使β1’和β2’沉淀相形核和生长,所以沉淀相颗粒密度随着Y添加量的增加而增大。Mg-Zn-Ce合金中随着Ce添加量的增加,Zn固溶度和沉淀相密度均降低,添加2%Ce时,基体成分接近纯Mg,这一点的揭示对后续研究提高含Ce的Mg-Zn系合金固溶强化至关重要。
经过快速凝固,Mg-Zn(-Y-Ce)合金组织明显细化,第二相呈纳米级颗粒分布在晶内或呈网状分布在晶界上,几乎无二元Mg-Zn相通过凝固形成,扩展固溶主要以β1’相形式析出。随着Y和Ce添加量增大,Zn的固溶度逐渐降低,Mg-6Zn-2Ce合金基体成分仍接近纯Mg。各合金中三元相组成基本不变,然而由于快速凝固过程中溶质分配不平衡,T2相中Zn含量在25.9at%~45.3at.%范围内波动,而且在Mg-Zn-Y合金中发现了常规凝固条件下难以形成的H相(Mg15Y15Zn70)。此外,首次在快速凝固合金晶界附近发现了宽度为1μm~4μm的三元相颗粒无脱溶带和宽度约为260nm的Mg-Zn无沉淀带,前者的形成归因于贫溶质机制,后者归因于贫空位机制。
挤压合金组织研究结果表明,合金的动态再结晶机制由温度控制,低于340℃时主要为不连续动态再结晶机制,高于340℃时为连续动态再结晶机制。首次发现在往复挤压过程中试样整体上只发生一次再结晶,后续的挤压变形主要是通过晶晃滑移实现。对于340℃往复挤压的细晶合金,后续挤压温度高于250℃时挤压过程仍是通过晶界滑移实现,低于250℃时合金通过非连续动态再结晶机制发生再次再结晶而细化。各合金通过往复挤压和235℃低温正挤压制均获得了均匀的细晶组织,并且随着Y和Ce添加量的增加,合金再结晶晶粒因第二相颗粒密度的增加而细化。然而,破碎的第二相颗粒在挤压和往复挤压合金中分布都不均匀,挤压合金中第二相颗粒呈流线平行于挤压方向分布;往复挤压合金中因为其工艺具有“形状回复性”,第二相颗粒在挤压过程中沿挤压方向分布,在墩粗过程中会重新会聚在一起,并以原始位置为中心向周围分散分布,很难实现均匀分布。
快速凝固薄带在低于300℃挤压时通过非连续动态再结晶机制独立地发生再结晶,再结晶晶粒在长大过程中跨越两个薄带并使其焊合。由于薄带厚度不均一,再结晶后较薄的薄带晶粒较细小,较厚薄带晶粒较粗大,由于往复挤过程中快速凝固薄带整体上也只发生一次再结晶,因此正挤压和多道次往复挤压合金组织都不均匀,通过往复挤压和后续低温正挤压联合工艺可获得均匀细晶组织。第二相颗粒经挤压和往复挤压后分布均匀弥散。