准晶增强Mg-Zn-Er合金显微组织及性能的研究

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1、摘要摘要镁合金是目前工业应用中最轻的结构材料，在汽车等领域的应用前景十分广阔。此外，镁合金具有比强度、比刚度高，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性高且易回收等优点，广泛的应用于电子通讯、航空航天及国防军用等方面，被誉为“21世纪绿色工程材料"。本文采用普通凝固铸造，制备了准晶增强的Mg．Zn-Er合金，系统地研究了稀土元素Er对Mg．Zn．Er合金显微组织和力学性能的影响，阐述了Er元素在合金中的存在形式，Mg-Zn．Er合金凝固组织的形成机制以及铸态合金的强化机理。选择综合性能较好的合金成分，探讨了铸态Mg．Zn．

2、Er合金的蠕变机制。并对Mg．Zn—Er合金进行了热挤压试验，研究了热挤压前后合金显微组织和拉伸性能的变化，分析了挤压态合金与铸态合金相比较拉伸性能进一步提高的原因。研究结果表明：热力学计算表明，稀土元素Er添加到Mg．5Zn合金中，Er元素与Mg和Zn元素均有形成二元化合物的可能，亦可形成Mg．Zn．Er三元金属间化合物。但是，在实际凝固的过程中，由于成分偏析等原因，Er元素主要以具有二十面体准周期结构的M93Zn6Er(准晶相)或面心立方结构的M93Zn3Er2(W相)的形式存在。这两种三元相主要在晶界处

3、分布，起到了抑制晶粒长大，细化枝晶间距的效果。在实际凝固的过程中，w相的析出温度较高，首先形成。而准晶相既可直接从液相中析出，也可通过W相与液相发生包晶反应生成。两相界面分析结果表明，W相与准晶相之间存在有共格关系，因此，在包晶反应初期，准晶相依附在W相上形核并通过扩散不断长大。作为两相转化的特殊阶段，W相与准晶相共存的现象也会出现。铸态Mg．Zn．Er合金中的准晶相属于Bergman类准晶，与Mg．Zn．Y和Mg．Zn．Gd中发现的准晶属于同一类型。Mg．Zn．Er准晶相的二次轴旋转32．33。得到其五次轴

4、，继续旋转36．42。得到其三次旋转，这些角度与从二十面体准晶点群得到的角度非常接近，分别为31．72。和37．38。，其结构接近完美的二十面体准晶。经440。C／10小时固溶处理后及175℃和200℃的高温XRD分析结果表明，Mg．Zn．Er合金中的准晶相具有较高热稳定性，这将对提高合金的高温拉伸及高温抗蠕变性能起到积极地作用。Er元素添加到Mg．5Zn合金中，Mg．5Zn．xEr(x=0，1，2，2．5)铸态合金的室温及175℃高温抗拉及屈服强度有着相同的变化规律。室温时，Er含量为1wt．％时达到最大值

5、，175℃时，Er含量为2．5wt．％时达到最大值。常温下，Er元素的添加，形成W相及准晶相两种三元相，细化了合金的晶粒，同时降低了Zn元素的固溶量，减弱了固溶强化的效果，合金的抗拉强度变化较小，屈服强度增幅较大。在北京工业大学工学博七学位论文高温下，Mg-5Zn合金的晶界处断续析出细小的析出物，显微结构的不稳定性导致Mg-SZn合金的高温性能迅猛下降。Er元素添加后，在晶界处形成了准晶相及W相，消耗了Mg-5Zn合金中晶界处过多的zn元素，提高了合金显微组织的稳’定性，同时强化了晶界，提高了合金的高温性能。

6、Er元素的添加也有效的改善了基体合金的抗蠕变性能，当Er含量为2．5wt．％时，175℃／70MPa下，100小时合金的总蠕变量及稳态蠕变速率分别为0．19％和2．51x10-9．s一。Mg-SZn合金中的MgZn2相在蠕变过程中变得粗大，不能有效的抑制晶界滑移，同时，蠕变过程中沿晶界析出的细小相也为晶界滑移提供了更多的可能，导致了Mg-5Zn合金抗蠕变性能的恶化。添加Er元素后形成的准晶相热稳定性较高，且与基体有较好的界面链接，能有效的阻止晶界或是位错滑移，提高了合金的抗蠕变性。应力指数及蠕变激活能分析表明

7、，Mg．5Zn．2．5Er合金的蠕．I变机制为，晶界滑移控制的蠕变机制，这与显微组织观察的结果一致。经400℃、挤压比为10：1的热挤压后，Mg．5Zn．xEr(x=0．5，1，2，2．5)合金的初生相被挤碎，并沿挤压方向分布。挤压后，第二相大小有几百纳米，且与基体的界面链接仍然良好，尤其是准晶相。合金的晶粒明显细化，含Ef量为2．5wt．％时最小。挤压过程中，合金发生了动态再结晶，亚晶粒之间的扭转角度约为2。，且在晶粒内部有纳米级准晶相及纳米级W相析出。析出的纳米W相以镁基体的基面为惯习面生长。MgoSZn

8、．xEr(x=0．5，1，2，2．5)挤压态合金的室温及175℃的抗拉及屈服强度随Er含量的增加而增加，含Er量为2．Swt．％时，达到最大值。跟铸态合金相比，室温及175℃高温下的抗拉和屈服分别增长了81％和182％、15％和63％。挤压后，晶粒细化，初生准晶相更弥散的分布以及挤压过程中析出的纳米级准晶相是进一步提高合金拉伸性能的主要原因。通过对Er元素添加到Mg．5Zn合金中Er元素在合金中的存