长周期结构沉淀析出过程的实时原位透射电子显微镜观察与固态相变理论研究

By using a transmission electron microscope (TEM) equipped with a heating stage maintained at a series of temperatures, the precipitation process of long-period stacking ordered (LPSO) structures in the two kinds of Mg-RE (RE represents rare earth elements) based alloys ( type Ⅰand type Ⅱ) will be observed in situ. （Type Ⅰalloy includes Mg-Dy-Zn, Mg-Ho-Zn and Mg-Er-Zn alloys where the LPSO structure forms in grain boundaries as a secondary phase during solidification. Type Ⅱ alloys include Mg-Gd-Zn, Mg-Tb-Zn, Mg-Tm-Zn alloys in which there is no LPSO phase in as-cast ingots, and the 14H LPSO phase precipitates from α-Mg supersaturated solid solution with annealing at high temperature.） In situ TEM observation combined with the selected-area electron diffraction and convergent-beam electron diffraction, high-resolution transmission electron microscopy and high-angle annular dark-field image (Z-contrast image) modes of scanning transmission electron microscopy, it will be investigated that the mechanism of solid-state transformation processes from the structure of 18R LPSO to the structure of 14H type of LPSO in a type Ⅰalloy. In the type Ⅱ alloys, it will be observed in situ that the precipitation sequence of the solution-treated Mg-RE based alloys at the early aging stage. In type Ⅱ alloys, the way of RE element atoms diffusing during LPSO phase formation will be investigated, and the LPSO precipitation hardening mechanism will be studied also. By through in situ TEM observation combined with advanced transmission electron microscopy technologies, the above researches will reveal the role of RE element atoms during LPSO phase formation, and will enrich our knowledge of solid-state phase transformation, and will devote to improving precipitation hardening effect of the Mg-RE based alloys.

本课题采用带有精密控制温度的加热样品台的透射电子显微镜，选择一系列热处理温度，实时原位观察两种类型镁稀土系合金中长周期结构的形成和生长过程。通过实时动态原位观察并结合平行束和会聚束电子衍射、高分辨透射电子显微分析以及高角环形暗场扫描透射电子显微术(原子序数Z衬度成像)分析手段，对第一类的镁稀土系合金（如, Mg-Dy-Zn, Mg-Ho-Zn, Mg-Er-Zn等合金），本课题将深入了解长周期结构由18R型转变为14H型的固态相变规律；对第二类镁稀土系合金（如Mg-Gd-Zn, Mg-Tb-Zn, Mg-Tm-Zn等），探明过饱和固溶体在时效早期的沉淀析出序列，研究长周期结构形成的稀土元素迁移规律和析出强化规律。本课题通过实时原位透射电子显微镜观察，对两种类型镁稀土系合金中长周期结构形成的稀土元素作用的认识，不仅丰富扩散型固态相变理论，而且对提高镁稀土系合金的析出强化效果具指导意义。

根据文献所报道的长周期有序堆垛结构形成条件，制备了第一类型和第二类型总计40种典型成分的镁合金。对这些镁合金其进行了热处理、热挤压等操作，测试了其拉伸、硬度等力学性能，并采用X射线衍射（XRD），扫描电子显微分析（SEM），常规透射电子显微分析（TEM）包括选区电子衍射和会聚束电子衍射，和先进的透射电子显微分析（TEM）包括球差校正的高分辨透射电子显微分析以及高角环形暗场扫描透射电子显微分析(原子序数Z衬度成像)，对其微观特征进行了深入探究。.在新型铸态Mg-Ni-Zn-Dy合金中首次发现了14H长周期结构并确定了其空间群。通过对铸态Mg-Ni-Zn-Dy合金14H长周期结构HAADF像的分析，得到合金中的14H长周期结构堆垛顺序为：ABABCACACACBAB(A)。观察到Zn，Ni，Y元素富集于ABCA型结构单元的BC层。根据CBED花样，对其±G对称性进行分析后发现，该14H长周期结构空间群为 P63mc。. 基于晶体学的相关理论，推导出了长周期结构中的63种13H类型，126种14H类型，120种39R类型和223种42R类型，以及每种对应的原子层堆垛顺序和空间群。推导的结果为已经报道的多种长周期的变体提供了相关的晶体学理论解释。. 在铸态Mg-Co-6Y（wt.%）合金中，观察到了β-Mg24Y5与18R长周期结构界面存在偏析现象。采用重位点阵理论，模拟了α-Mg与β-Mg24Y5的界面。分析得出，在18R长周期结构中的元素偏析对界面上的元素偏析产生了决定性的影响。.本课题制备了铸态Mg-1.5 at.% Zn-2.0 at.% Y-x at.% Sn (x=0, 0.5, 1.0, 2.0) 合金，并进行了热挤压。测试了这4种镁合金的拉伸、硬度等力学性能。实验表明，Mg-1.5 at.% Zn-2.0 at.% Y-0.5 at.% Sn合金的拉伸、硬度等力学性能具有最高值。采用XRD，SEM和TEM，分析了这4种镁合金的显微组织，特别是长周期结构相在这4种镁合金中的演变。. 773K保温22小时热处理的Mg96.23Zn0.88Dy2.21Er0.68 合金中，长周期结构呈现两种新形貌的扭折带。这两种新形貌的扭折带对提高合金力学性能有贡献。实验表明，镁锌合金中添加双稀土元素Dy和Er 比添加单一稀土元素Dy的强化作用更好。