Mg-Zn合金中稀土元素的固溶行为及其影响因素研究

Rare earths are important alloying elements of magnesium alloys, and their solid solution behavious in magnesium alloys have important effects on microstructure and properties of the alloys. However, because of the lack of the solid solution data used to characterize solid solution behavious of rare earths and the research on the reason of influence solid solution behavious of rare earths, it is difficulty to accurately grasp the influence mechanism and rule of rare earths on microstructure and properties of magnesium alloys. Therefore, the project will aim at the above problems to carry out the following research works. Firstly, establish a method to directly measure solid solution of rare earths in magnesium alloys by combining electrochemical phase separation with chemical analysis for providing the necessary technical means for the quantitative characterization the degree of solid solution of rare earths. Secondly, measureing near equilibrium solid solubilities of rare earths in Mg-Zn magnesium alloys and combining with first principles calculation for researching the reasons and effects of alloy composition on rare earth solid solution abilities in the alloys. Third, measuring solid solution quantity of the rare earths in Mg-Zn alloys solidified under non-equilibrium conditions for researching the influence and rule of the melt solidification rate on the drgree of solid solution of rare earths. And then, observing the microstructure and measuring the properties of the alloy for researching the relationships between the solid solution behavious of rare earths and the microstructure and properties of the alloys. The project is intended to realize the solid solution rules of rare earths throuhg researching solid solution behavious and influence factors of rare earths in the given magnesium alloys, to provide foundation and reference for the research and application of alloying action of rare earths in magnesium alloys.

稀土是镁合金重要的合金化元素，其在镁合金中的固溶行为是影响合金组织性能的重要因素。然而，由于缺乏稀土固溶量数据以及对影响稀土固溶行为原因的研究相对不足，致使难以准确把握稀土固溶对镁合金组织性能影响的机制及规律，本项目将针对上述问题进行以下研究工作。建立一种通过电化学相分离-化学分析途径直接测定镁合金中稀土固溶量的方法，为稀土固溶程度的量化表征提供必要的技术手段；测定稀土与Mg-Zn合金所构成的实验合金中稀土的近平衡固溶度并结合理论计算，研究合金组成对稀土自身固溶能力的影响及其原因；测定实验合金非平衡凝固组织中的稀土固溶量，研究合金熔体凝固速度对稀土固溶程度的影响及其规律；观测实验合金的组织和性能，研究稀土固溶行为与合金组织性能之间的关系。本工作旨在通过对特定镁合金体系中稀土固溶行为和影响因素的研究，认识稀土的固溶规律，为稀土合金化作用的研究和应用提供依据和参考。

稀土是镁合金重要的合金化元素，其在镁合金中的固溶行为是影响合金组织性能的重要因素。然而，由于缺乏稀土固溶量数据以及对影响稀土固溶行为原因的研究相对不足，致使难以准确把握稀土固溶对镁合金组织性能影响的机制及规律。本项目针对以稀土进行合金化处理的Mg-Zn基和Mg-Al基合金，分别建立了基于电化学相分离和化学相分离的元素固溶量测定方法；实际测定了加入稀土（Ce、Y、Gd）的Mg-Zn基和Mg-Al基合金系中稀土的固溶量，同时利用热力学软件计算了合金系中稀土元素的平衡固溶度，利用第一性原理和热力学方法计算分析了合金其他组成元素对稀土固溶能力的影响，研究了合金组成对稀土固溶能力的影响及其原因；制备不同凝固冷却速度的合金试样，测定了非平衡凝固组织中的稀土固溶量，研究了合金熔体凝固速度对稀土固溶程度的影响及其规律；观测实验合金的组织特征值和力学性能，研究了稀土固溶行为与合金组织性能之间的关系。固溶量的测定结果表明，本研究所建立的固溶量测定方法具有方法简单、测定精度较高的优点，可以为镁合金中稀土以及其他合金元素固溶程度的量化表征提供必要的技术手段。元素固溶量的测定结果指出，在本研究中Gd的固溶能力最强，Y其次，Ce的固溶能力最弱，即不同的稀土其固溶量有较大差异，同时受到其他合金元素的影响，Zn抑制稀土的固溶，而Al促进稀土的固溶。稀土的实际固溶量受合金凝固冷却速度的影响，提高合金的凝固冷却速度将增大稀土的固溶量。镁合金中加入的稀土可以细化合金晶粒，改变合金的化合物种类、数量和分布，从而使合金的力学性发生变化，而稀土的细晶作用和对化合物的改变都与稀土的固溶特性有关。上述研究结果是对镁合金中稀土元素固溶规律认识的深化，有助于稀土合金化作用的研究和稀土在镁合金中的应用。