Ca、Y元素对Mg-Zn-Zr镁合金组织、力学性能与阻燃性能的影响研究

作     者：李世成 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王柯

授予年度：2023年

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

主      题：Mg-Zn-Zr-Ca镁合金 Mg-Zn-Zr-Ca-Y镁合金 微观组织 力学性能 阻燃 

摘      要：镁合金因具有密度低、阻尼性能好、易回收、比强度和比刚度高等诸多优异性能,在航空航天、轨道交通等领域得到了广泛的应用。然而,镁合金绝对强度和起燃温度较低,难以满足作为结构构件的性能需求,这限制了镁合金的进一步大规模应用。因此,开发新一代低成本、高强阻燃镁合金对推动镁合金的应用具有重要意义。本文采用合金化的设计思路,以ZK60镁合金为基础合金,通过单一添加Ca元素和复合添加Ca、Y两种元素的方式,研究了Mg-6Zn-0.6Zr-x Ca（x=0,0.6,1.2,1.8,wt%）和Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-y Y（y=0.5,1.0,wt%）合金在铸态、均匀化退火态以及挤压态下的组织演变行为和拉伸力学行为,并进一步表征了这两类合金的表面氧化层结构,揭示其阻燃机理。主要研究结果如下:（1）对铸态和均匀化退火态Mg-6Zn-0.6Zr-x Ca合金微观组织的研究表明,铸态组织主要由α-Mg基体和两种第二相组成,第二相呈连续网状分布在晶界附近。随着Ca含量的增加,Ca2Mg6Zn3相的逐渐增多,Mg Zn2相逐渐减少。当Ca含量达到1.2wt%时,Mg Zn2相在基体中消失。均匀化退火后,Mg Zn2相全部溶解到基体内,仅保留部分Ca2Mg6Zn3相,呈不连续的网状和块状分布在晶界附近。（2）将均匀化退火后的Mg-6Zn-0.6Zr-x Ca合金进行热挤压,在挤压过程发生不完全动态再结晶,组织为粗大变形晶粒和细小再结晶晶粒组成的双峰组织。随着Ca含量增加,再结晶晶粒尺寸逐渐减小。Ca2Mg6Zn3相在挤压后破碎为长条状和小块状。与铸态和均匀化态相比,挤压态合金的力学性能显著提升。并且,随着Ca含量的增加,强度逐渐上升,塑性逐渐下降。其中,挤压态Mg-6Zn-0.6Zr-1.2Ca合金具有最优的综合性能,抗拉强度和屈服强度分别为380.1 MPa和360.1 MPa,延伸率为10.4%,燃点为800℃。（3）对铸态和均匀化退火态Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-y Y合金微观组织的研究表明,铸态组织中析出了W（Mg3Y2Zn3）相,并与Mg Zn2相和Ca2Mg6Zn3相共存,分布在晶界附近。随着Y含量的增加,组织中的W相含量逐渐增多,Mg Zn2相则逐渐减少。均匀化退火后组织中的第二相大部分被固溶回基体,仅保留W相和少量Ca2Mg6Zn3相,呈弥散的块状和不连续的网状分布在晶界附近。（4）将均匀化退火后的Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-y Y合金进行热挤压,在挤压过程中发生不完全动态再结晶,组织同样为双峰组织。同时,随着Y元素的添加,再结晶晶粒逐渐减小,W相和Ca2Mg6Zn3相在挤压过程中被破碎为弥散的小块状。与铸态和均匀化态相比,挤压态合金的力学性能显著提升。并且,随着Y含量的增加,强度逐渐上升,塑性逐渐下降。Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-1Y合金抗拉强度和屈服强度分别为408.2 MPa和383.8 MPa,延伸率为11.3%,在连续升温至1000℃后未起燃,具有最优的综合性能。（5）对挤压态Mg-6Zn-0.6Zr-x Ca和Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-y Y两类合金阻燃机制的研究表明,在高温下,Mg-6Zn-0.6Zr-x Ca系合金表面会形成一层Ca O-Mg O复合氧化层,氧化层厚度随着Ca含量的增加而逐渐增加。而Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-y Y系合金表面会形成双层氧化层,表层为Y2O3-Zr O2-Ca O,内层为Y2O3-Zr O2-Ca O和少量Mg O,双层氧化层厚度也随着Y含量的增加而逐渐增加。这类多组分的复合致密氧化层可以显著提高对内部基体的保护作用。因此,Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-y Y系合金的燃点显著高于Mg-6Zn-0.6Zr-x Ca系合金。