Mg30Zn60-xY10+x(x=0,2)准晶增强镁基复合材料实验与计算研究

Mg-Zn-Y quasicrystal phase has high hardness, high elastic modulus and good wettability with magnesium matrix, so it can be used as the ideal strengthening phase of the magnesium alloys. Therefore, studying the preparation of quasicrystal and its reinforced composites have a significant meaning. Firstly, this project investigate the effects of pouring temperature, heating temperature, holding time and other process parameters on microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Y quasicrystal master alloys which are prepared by conventional casting. The Mg30Zn60-xY10+x(x=0,2) quasicrystals, which component tends to simplification, are prepared by reducing the interference of its similar phase. The formation mechanism and growth pattern of icosahedral quasicrystal are investigated. Secondly, Mg-Zn-Y alloys containing I-phase are fabricated by squeeze casting with Staged variable speed stirring and rotary blowing, and the effects of extrusion pressure on microstructure and hardness of the alloy are also studied. Finally, the research is disposed by similar phase structural similarity method on unclear crystal structure of Mg-Zn-Y quasicrystal in atom scale. And then the mechanical and thermodynamic properties are analyzed at the atomic level. Moreover, combining with the experimental research, a new research idea of quasicrystal and its reinforced metal matrix composites are proposed.

由于Mg-Zn-Y准晶相具有高硬度、高弹性模量和能够与镁合金基体良好结合等优点，可作为镁合金基体的理想强化相，研究该准晶的制备及其增强复合材料机制具有重要意义。本项目拟采用常规铸造法制备Mg-Zn-Y准晶中间合金，研究浇注温度、加热温度、保温时间等工艺参数对合金显微组织和力学性能的影响，制备出成分趋于单一化的Mg30Zn60-xY10+x(x=0,2)准晶，减少类似相的干扰，探讨二十面体准晶相的形成机制和生长方式；采用挤压铸造法，辅以“分阶段变速搅拌+旋转喷吹”工艺制备含I-phase的Mg-Zn-Y合金，并研究挤压压力对合金显微组织和硬度的影响。最后，将不具有明确晶体结构的Mg-Zn-Y准晶通过“类似相的结构相似性”处理，使得对准晶的研究工作可以建立在原子尺度上，在原子层次上分析其热力学和力学性质，并与实验研究相结合，为准晶及其增强金属基复合材料设计提供了一种新的研究思路。

作为一种轻质结构材料，镁合金已广泛应用在汽车、兵器、航空和航天等领域。为满足镁基复合材料高性能的应用需求，急需寻找一种合适的制备工艺及强化相。因而，在本项目中，制备了含有稳定二十面体准晶相的Mg-Zn-Y准晶中间合金。通过成分调控分别研究了合金元素Zn和Y含量对显微组织的影响规律，发现合金元素Zn和Y对准晶相的尺寸、含量以及形貌影响显著。分析了不同冷却速度下的组织演变规律，发现准晶相尺寸随冷却速度增大而逐渐减小。证实Mg3Zn6Y准晶相虽以特定的形貌存在于合金中，但是其形成过程同样遵循形核与长大规律。Mg-47Zn-7.5Y合金经400℃×6h热处理后的物相组成没有发生变化，但该过导致晶粒长大且准晶相尺寸和体积分数增加。基于以上研究建立了合金成分-冷却速度-热处理工艺-微观组织-准晶相形貌的关联性，为Mg-Zn-Y准晶中间合金的成分设计和制备工艺提供了理论基础。基于挤压铸造特点及AZ91D镁合金性质制定了挤压铸造法制备准晶增强AZ91D镁基复合材料的工艺方案，通过控制单一变量分别研究了挤压压力和浇注温度对材料显微组织和力学性能的影响，发现通过控制挤压压力和浇注温度可获得细小的晶粒尺寸和均匀的组织形貌，挤压压力为100MPa且浇铸温度为700℃时，Mg-Zn-Y准晶增强AZ91D镁基复合材料可获得最佳的综合力学性能，其抗拉强度和延伸率分别为201.5MPa和8.2%。基于第一性原理软件，建立了Mg-Zn-Y相的晶体模型，并研究了Mg-Zn-Y相和Mg17Al12相的结构稳定性、弹性模量和各向异性。结果表明，Mg-Zn-Y相具有较高的弹性模量。