Mg-Zn-Y（-Gd）系合金的凝固行为及热裂敏感性研究

作     者：付小庆 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘正

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Mg-Zn-Y(-Gd)合金 热裂敏感性 LPSO相 补缩能力 

摘      要：根据全球绿色发展形势,镁合金作为一种具有发展前景的轻量化材料,正朝着高产出、低消耗、低污染可持续性发展。然而,镁合金铸锭在成形过程中热裂一直是制约其产品质量和成品率的技术瓶颈。由于热裂往往伴随着复杂的凝固行为,许多深层次的原因和微观机制尚不清楚。因此,研究镁合金的热裂敏感性对获得优质铸件具有重要意义。目前,对含LPSO相的Mg-Y-Zn合金因其优异的力学性能而备受研究者们的追捧。研究发现Gd在Mg中的固溶度远高于Y在Mg中的固溶度,并且随着温度降低固溶度大幅度降低,时效硬化效果更好。由此可以推断出Mg-Gd-Zn合金可能具有更大的强化潜力,但对其热裂敏感性的研究较少。本文应用Clyne-Davies理论模型,分别对Mg-x Zn-2x Gd(x= 0.5,1,1.5,2at.%)合金和Mg-x Gd-(2-x)Y-Zn(x=0,0.5,1,1.5,2at.%)合金的热裂敏感性进行预测。文中首先要研究镁合金凝固过程中热裂纹萌生温度及扩展机制,通过“T型热裂模具测试系统采集Mg-Zn-Y(-Gd)系合金的凝固收缩应力和凝固温度随时间的变化曲线,进而分析数据;采用双电偶测试系统对Mg-Zn-Y(-Gd)系合金的枝晶干涉温度、析出相的析出温度等特征参数进行采集。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对Mg-Zn-Y(-Gd)系合金的断口形貌和微观组织结构进行观察,并结合透射电子显微镜(TEM)分别确认析出相的类型和结构。通过第二相的数量、形貌研究了Mg-x Zn-2x Gd(x= 0.5,1,1.5,2at.%)合金和Mg-x Gd-(2-x)Y-Zn(x=0,0.5,1,1.5,2at.%)合金中的凝固行为及热裂敏感性,揭示了其微观机制。实验结果表明,对于Mg-2x Gd-x Zn(x= 0.5,1,1.5,2at.%)合金的组成相有三种,分别为α-Mg、LPSO相和W相。随着x的增加,晶化后α-Mg晶粒间残留液相的相对含量增加,对固相局部收缩进行补缩的能力增强。并且随着x的增加,α-Mg晶粒得到细化,并且第二相数量逐渐增多,使得合金的热裂倾向性逐渐降低。当Zn、Gd的含量以相同比例的增加,Mg-2x Gd-x Zn合金中α-Mg相的析出温度逐渐降低,晶粒细化程度和凝固温度范围逐渐减小,这是降低了合金的热裂敏感性的根本原因。此外,沿晶界析出的LPSO相呈层片状楔入α-Mg基体的两侧,这样有助于阻止热裂纹沿晶界扩展,这也是降低合金热裂敏感性的另一个重要原因。对于Mg-x Gd-(2-x)Y-Zn(x=0,0.5,1,1.5,2at.%)合金,用Gd元素逐渐取代Y元素,晶界处的W相由不连续向连续的网络状分布,LPSO相由晶界向晶内延伸生长,使枝晶间结合力增加,减缓裂纹萌生和扩展。并且由此可以证明Gd元素在降低热裂敏感性方面优于Y元素。随着x增加,合金组织中析出的第二相数量越来越多,降低热裂发生的趋势。同时,随着Mg-x Gd-(2-x)Y-Zn(x=0,0.5,1,1.5,2at.%)合金中Gd元素逐渐增多,Y元素逐渐减少,枝晶干涉温度(T)逐渐降低,枝晶间补缩通道变短,也会导致合金的热裂倾向性逐渐降低。