脉冲磁场作用下原位准晶增强Mg-Zn-Y合金凝固机理研究

In view of excellent performance and wide application prospect of magnesium alloys strengthened with in-situ icosahedral quasicrystalline phase (I-phase), and aiming at minimum mechanical properties of as-cast Mg-Zn-Y alloys strengthened with in-situ I-phase, pulsed magnetic field (PMF) is employed for improving the microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Y alloys strengthened with in-situ I-phase in this study. The specific research contents are shown as follows. Firstly, the relevance of PMF and formation of in-situ I-phase is investigated. Moreover, the influence law and formation mechanism of in-situ I-phase in Mg-Zn-Y alloys under PMF are also investigated. In addition, the effect law of parameters of PMF on morphology, size, volume fraction and distribution of in-situ I-phase is also investigated. Finally, the relationship of preparation process, structure and mechanical properties of Mg-Zn-Y alloys strengthened with in-situ I-phase is investigated. On this basis, parameters of PMF are optimized. Method and theory of preparation of Mg-Zn-Y alloys strengthened with in-situ I-phase under PMF are established. Research results will provide theoretical guidance and technical support for further optimization magnesium alloys strengthened with in-situ I-phase, and promote the research of high performance magnesium alloys actively.

鉴于原位准晶增强镁合金的优异性能及广阔的应用前景，针对目前原位准晶增强Mg-Zn-Y合金常规铸态组织中原位准晶相组织粗大，导致合金铸态力学性能偏低的问题。本项目提出脉冲磁场作用下制备原位准晶增强Mg-Zn-Y合金的研究。本项目拟从建立脉冲磁场与原位准晶相形成的关联性入手，研究脉冲磁场对Mg-Zn-Y合金中原位准晶相形成能力和稳定性的影响规律，揭示脉冲磁场作用下原位准晶相的形成机理。研究脉冲磁场工艺参数对原位准晶相形貌、尺寸、体积分数和分布的影响规律。研究脉冲磁场制备工艺、组织结构与力学性能之间的关系。在上述研究基础上，优化脉冲磁场工艺参数以及原位准晶相的强化效应，建立基于脉冲磁场作用下制备原位准晶增强镁合金的方法和理论。研究成果将为深入开展原位准晶增强镁合金制备研究提供必要的理论指导和技术支持，对我国高性能镁合金的发展起着积极的推动作用。

鉴于原位准晶增强镁合金的优异性能及广阔的应用前景，针对目前原位准晶增强Mg-Zn-Y合金常规铸态组织中原位准晶相组织粗大，导致合金铸态力学性能偏低的问题。本项目以原位准晶增强Mg-Zn-Y合金为研究对象，主要研究了脉冲磁场、稳恒磁场、超声处理，以及分别添加Ca、Sr和Cu元素对合金凝固组织和力学性能的影响规律，并分别探讨了其作用机理。研究取得重要结果如下：1）脉冲磁场处理可以显著细化Mg-Zn-Y合金的凝固组织。初生α-Mg相的形貌由树枝晶状逐渐转变为蔷薇状和多边形状共存。准晶相的形貌由连续网状逐渐转变为不连续网状和孤岛状共存。脉冲磁场处理能够增加Mg-Zn-Y合金晶内的合金元素Zn和Y的溶质含量，进而降低准晶相的体积分数。脉冲磁场处理可以明显提高合金的力学性能。合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率相比未处理合金分别提高了65%、66%和124%。“磁致过冷”、“磁致振荡”以及焦耳热效应是脉冲磁场作用下Mg-Zn-Y合金凝固组织细化的主要原因。2）添加0.8wt.% 以下的Ca或Sr元素可以细化Mg-Zn-Y合金的初生晶粒，降低第二相的体积分数，提高第二相的分布均匀性，显著提高合金的力学性能；添加1.5at.%以下的Cu元素可以细化Mg-Zn-Y合金晶粒，提高合金的室温和高温力学性能以及高温蠕变性能，其室温和高温的抗拉强度和伸长率相比未处理合金分别提高了10.5%、40.7%和26.4%、49.3%，其稳态蠕变速率和蠕变总应变和分别降低了56.4%和65.5%。3）稳恒磁场能够改善Mg-Zn-Y合金的凝固组织。稳恒磁场通过降低择优生长方向的驱动力从而影响晶粒的长大过程而使合金产生明显的择优取向。由于结晶取向的改变，合金的抗拉强度和伸长率相比无磁场处理的试样分别提高了19.8%和33.3%。4）超声处理能够显著细化Mg-Zn-Y合金的凝固组织和提高合金的力学性能，其抗拉强度和伸长率相比未处理试样分别提升了80.4%和83.3%。研究成果将为深入开展原位准晶增强Mg-Zn-Y合金制备研究提供理论指导和技术支持，对我国高性能镁合金的发展起着积极的推动作用。