电场固溶砂型铸造镁合金溶质迁移机制及晶粒生长抑制因素研究

Compared with materials with fcc or bcc structure, magnesium alloys with hcp structure have higher Taylor indexes and Hall-Petch coefficients. It means that grain refinement is a remarkable way to reinforce magnesium alloys. Mg-Gd-Y alloys have shown strong application in aerospace and national defense field, due to the novel high strength and heat resistant properties. These alloys are used to manufacture some special aerospace components with huge size and complex structure, only be formed through sand casting process. Grains grow during solid solution process, which decreases strength and ductility of the alloy. To accelerate solute transport and restrain grain growth, an electric field is introduced into the solid solution process of sand-cast Mg-Gd-Y alloys in this project. Influence of electric field on the evaluation of the microstructure of the alloy is to be clarified. Relationships between electric field parameters and grain size, volume fraction of the second phase, electro-conductibility, hardness and strength are to be formulated. The model of solute transport and grain growth of the alloy was to be built up. The strengthening mechanism of sand-cast Mg-Gd-Y alloys is to be uncovered. This work will be established to provide the theory for investing a new way to carry out the solid solution process of magnesium alloys. It will be also helpful to offer technology support for increasing the strength and ductility of sand-cast Mg-Gd-Y alloys.

相对fcc和bcc结构的金属材料，hcp结构的镁合金具有更高的Hall-Petch系数，因此细化晶粒能够显著提高镁合金的强度。大型复杂薄壁Mg-Gd-Y合金铸件主要采用砂型铸造成形，晶粒在固溶过程中长大，限制了合金的强度与塑性。本项目提出在合金固溶处理过程中施加电场促进溶质迁移并抑制晶粒生长的方法，探明电场固溶条件下合金微观组织的演化规律，探明电场固溶工艺参数与晶粒尺寸、第二相体积分数、电导率、硬度以及强度之间的数学关系，构建电场固溶镁合金的溶质迁移模型与晶粒生长模型，揭示镁合金电场固溶机制与合金强化机制。本项目的研究成果将为开发出一种新型镁合金固溶处理技术提供理论支撑，也能为进一步提高Mg-Gd-Y合金的力学性能提供实验依据与技术指导。

相对fcc和bcc结构的金属材料，hcp结构的镁合金具有更高的Hall-Petch系数，因此细化晶粒能够显著提高镁合金的强度。Mg-Gd-Y系高强耐热镁合金具有较好的室温与高温力学性能，在航天、航空以及武器装备领域已有了初步的应用。大型复杂薄壁Mg-Gd-Y合金铸件在凝固过程中普遍存在着非常严重的热裂与冷裂倾向，成形难度极高，目前主要使用低传热系数且退让性良好的砂型模具实现成形。然而，砂型铸造（低冷却速率）所引起的晶粒粗化与组织不均匀却会降低合金的力学性能。.本项目提出了在砂型铸造Mg-Gd-Y合金固溶处理过程中施加电场促进溶质迁移并抑制晶粒生长的方法，初步探明了电场固溶条件下合金微观组织的演化规律，电场固溶工艺参数与晶粒尺寸、第二相体积分数与硬度之间的数学关系，尝试构建了电场固溶镁合金的晶粒生长模型与溶质迁移模型，最终揭示了镁合金电场固溶机制与合金（T6态）的强化机制。.实验表明，施加电场能够显著降低砂型铸造Mg-Gd-Y合金的固溶温度或缩短固溶时间，有效抑制固溶过程中晶粒的生长。TEM分析表明，通过相同的时效工艺处理后，电场固溶砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金具有尺寸更小、分布更均匀且体积分数更高的析出相。可能的原因是：电场固溶砂型铸造Mg-10Gd-3Y合金组织中溶质原子分布更均匀，在强化相的析出过程中也会存在着更多的形核质点。.热力学分析表明，电场在增加材料内部空位密度的同时，提高了空位等缺陷的迁移速率，加速了溶质原子的扩散过程，从而显著促进砂型铸造Mg-Gd-Y合金第二相的溶解。在电场作用下，具有相同电子条件的α-Mg晶格受到电磁力压缩，抑制了Mg原子的固态扩散过程，从而起到抑制晶粒生长的作用。.本研究方向具有前瞻性，在轻合金材料，特别是镁合金材料技术领域已显示出一定的应用潜力。通过后续研究，有望为开发出一种新型镁合金固溶处理技术与工艺，进一步提高现役砂型铸造高强耐热Mg-Gd-Y合金的力学性能，拓宽镁合金的应用范围奠定研究基础与技术原型。