新型LPSO/Mg双相Mg-Gd-Ni合金组织调控与强韧化机理

The project aims to establish theories of microstructure design and performance optimization for new LPSO/Mg two-phase Mg-Gd-Ni alloys. The temperature interval between the melting temperature of LPSO phase and the onset melting temperature of a-Mg phase is selected for semi-solid isothermal heat treatment. The effects of isothermal heat-treatment temperatures and time on the microstructure evolution and solute redistribution will be studied in order to reveal the solidification mechanism of the remolten LPSO phase, which will lead to a new method of microstructure control. The different heat treatments, including semi-solid isothermal heat treatment, solid solution treatment and aging treatment, will be conducted on the LPSO/Mg two-phase alloy to investigate the LPSO/Mg interface behaviors, which will lead to new heat treatment processes for the tailoring of LPSO/Mg interface structures. The relationship between microstructure and mechanical performance as well as the deformation and fracture behaviors will be studied for the two-phase alloys under different conditions to clarify the mechanism of strengthening and toughening, which will lead to the development of Mg-Gd-Ni two-phase alloys with optimized mechanical properties.

鉴于LPSO/Mg双相Mg-Gd-Ni合金的新颖性，本项目拟对其组织调控与强韧机理展开研究，为其双相组织设计与性能优化提供理论支持。选择高于LPSO相熔化温度而低于a-Mg基体初始熔化温度为半固态等温热处理温度区间，研究不同半固态等温处理温度、时间对LPSO/Mg双相合金组织的影响，分析LPSO/Mg双相组织演变和溶质再分配规律，理解LPSO相重熔再凝固机理，建立半固态等温热处理调控LPSO/Mg双相组织的新方法；研究半固态等温热处理及后续固溶、时效热处理对LPSO相与a-Mg界面结构的影响，理解LPSO/Mg双相界面行为，建立LPSO/Mg双相界面结构的热处理调控工艺；研究不同热处理状态下，LPSO/Mg双相合金组织与力学性能的关系以及变形和断裂行为，理解LPSO/Mg双相合金的强韧化机理，指导LPSO/Mg双相组织优化设计，获得具有最佳性能的双相Mg-Gd-Ni合金。

本项目以Mg-Gd-Ni合金为研究对象，经合金成分优化，采用普通铸锭冶金方法获得LPSO相体积分数高于30%的LPSO/α-Mg双相合金。采用半固态等温热处理、高温热处理调控LPSO/α-Mg双相组织，进而揭示LPSO相重熔再凝固机理、LPSO相与α-Mg基体界面行为、LPSO/Mg双相合金强韧化机理。研究表明，高含量LPSO相重熔为液相，使合金形成半固态，液相诱导α-Mg固相颗粒球化，而液相重新凝固后沿α-Mg晶界分布，仍形成LPSO相；重熔再凝固的LPSO相形貌发生变化，但仍保持与基体α-Mg共格界面；半固态等温热处理过程中，呈现α-Mg相表面熔化与动态再析出相平衡机制；在高于500℃热处理温度下，α-Mg保持良好的热稳定性，晶粒尺寸基本保持不变；与此同时，LPSO相的体积分数基本不变，但LPSO相形貌发生明显变化，类似于LPSO晶粒长大，相邻的LPSO相趋向合并，形成板条形貌；LPSO形貌变化只发生在相邻的LPSO相，而LPSO相无法通过长程扩散而合并长大；优化成分和热处理工艺的LPSO/Mg双相镁合金抗拉强度达到361MPa，而延伸率达10.1%；高体积分数LPSO相可有效阻碍晶内基面和非晶面位错滑移，而当晶内位错在LPSO/Mg界面塞积而局部应力增加时， LPSO相可发生屈服并产生可观的塑性变形，从而缓解LPSO/Mg界面应力，防止裂纹产生，保证加工硬化持续进行；LPSO相不仅阻碍晶内位错运动，又产生塑性变形，从而使双相合金的强度和塑性同时提高；相对于薄片状，厚度较大块体状LPSO相表现出更好的阻碍晶内位错运动能力，以及更好的塑性变形能力。该项目将半固态加工调控组织思路应用于Mg-Gd-Zn-Zr半固态组织以及Mg2Si/Mg-Al复合材料研究，获得良好效果；将双相合金思路推广至Mg-RE-Ni合金，获得了LPSO/Mg双相Mg-Er-Ni合金，并发现Mg-Er-Ni合金中LPSO相具有更高的熔点（高于600℃），表现出更高的热稳定性；将挤压和搅拌摩擦加工工艺应用于LPSO/Mg双相Mg-Gd-Ni/Mg-Er-Ni合金研究，通过组织细化获得更优综合力学性能。研究成果为高含量LPSO/Mg双相组织调控提供新的思路，而综合性能良好的LPSO/Mg双相合金具有作为铸造镁合金、高强高塑性镁合金以及耐热镁合金的应用前景。