含Y双相镁锂合金Mg-8Li-3Al-2Zn微观组织与力学性能研究

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镁锂合金由于良好的比强度、比刚度、电磁屏蔽等性能而在航空航天、军工和3C领域具有广阔的应用前景。但是目前关于镁锂合金的研究相对较少,研究模式仍主要停留在合金元素的筛选以及变形强化,缺乏一种强度和延展性兼备的合金体系,同时对于镁锂合金热处理方面的研究较少。基于此,本文以Mg-8Li-3Al-2Zn双相合金为基合金,首先探究了Y元素对合金微观组织和力学性能的影响,发现了Y对于基体合金微观组织和力学性能的改善作用;探索了热处理对Mg-8Li-3Al-2Zn-0.5Y合金力学性能的影响,优化了最佳固溶热处理参数;重点揭示了镁锂合金的时效软化行为,并阐明了时效软化机理,提出提高镁锂合金力学性能稳定性的初步思路,研究结果对开发高性能镁锂合金具有重要意义。首先利用真空熔炼方法制备了Mg-8Li-3Al-2Zn-xY(x=0,0.5,1,1.5 wt%)合金。Mg-8Li-3Al-2Zn合金物相主要由α-Mg、β-Li双基体相和AlLi第二相组成,Y的添加显著影响了Mg-8Li-3Al-2Zn合金微观组织,合金晶粒形貌由长条状转变为圆球状,晶粒尺寸逐渐减小,当Y由0增加到1%时,晶粒尺寸由55μm细化到38μm,不过,过量的Y会导致晶粒粗化。此外,随着Y含量的增加,合金相含量及形貌发生明显变化,Al2Y相逐渐增加,且形貌由最初的颗粒状转变为块状,而AlLi相含量减少,β-Li相含量增加。力学性能结果表明,Y的添加能通过细晶强化和Al2Y第二相强化大幅提升了Mg-8Li-3Al-2Zn合金的综合性能,特别是Y含量为0.5%时,Mg-8Li-3Al-2Zn-0.5Y合金力学性能最佳,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为153.0Mpa、218.5Mpa和16.9%,较Mg-8Li-3Al-2Zn合金分别提升6.4%、13.2%和13.4%。其次探索了固溶热处理工艺(300℃-450℃,2h)对Mg-8Li-3Al-2Zn-0.5Y合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,固溶处理能使合金中的AlLi相逐步分解,并固溶入基体,从而减少了α-Mg和β-Li基体相的衬度,而Al2Y相由于具有较高的热稳定性,固溶处理后,仍大量分布在相界中,进而,固溶处理显著提升了合金的硬度和强度。固溶时间为2h条件下,温度越高,固溶入基体的AlLi相越多,合金的硬度和强度提升幅度越大。当固溶温度提高到400℃后,基体内AlLi相基本固溶完全,随着温度进一步提升至450℃,合金强度并不能进一步增加。不过,固溶强化作用的提升以及软质AlLi相的减少会在一定程度上降低合金的延伸率。综合而言,350℃为最佳固溶温度,屈服强度、抗拉强度及延伸率分别为181.3MPa、263.0MPa和11.8%,屈服强度和抗拉强度相较铸态分别提升18.5%和20.37%。最后重点分析了镁锂合金的时效软化行为,并阐明了自然时效初期合金存在时效硬化反常现象的机制。时效时间较长时,自然时效和75℃人工时效均会导致合金硬度下降;时效时间较短时,自然时效合金却出现一定程度的时效硬化,而75℃时效合金没有这个现象。另外,450℃×2h固溶并自然时效150天后,合金的屈服强度、抗拉强度最高,分别达182.5 MPa和248.5 MPa,较铸态合金分别提升19.28%和13.72%。但延伸率显著降低,仅为7.0%,较铸态合金下降58.58%。因此,提升固溶温度以及添加Y等稀土元素可成为控制镁锂合金时效软化的有效方法。
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