Ca元素调控Mg-6Gd组织和耐热性能的微观机制研究

Magnesium alloys with high content of RE has excellent heat-resistant properties; however, the high cost greatly limits its applications. Previous report indicates that the addition of Ca greatly benefits the heat-resistant properties of Mg-RE alloys, while the mechanism is not clear yet. A low content RE-containing magnesium alloy without obvious age hardening response, Mg-6 wt.%Gd, is selected as the base alloy. The influence of Ca addition on the microstructure evolution and the heat-resistant property of Mg-6wt. %Gd will be systematically analyzed. Optical microscopy, XRD, EBSD, SEM, HRTEM and HAADF-STEM method are employed to characterize the precipitate size, crystal structure, orientation relationship between matrix and precipitate, volume fraction of precipitates and the element segregation of as-cast samples, extruded samples and aged samples. Crystallography theory, phase transition theory, metal reinforced mechanism and experimental results, will be used to disclose the mechanism of Ca addition in influencing the microstructure evolution and heat resistant property of Mg-RE alloy. The project will offer theoretical supportings for investigation on enhancing the property and controlling the microstructure of low cost.Mg-RE alloy.

高含量稀土镁合金具有良好的耐热性能，但其使用成本较高，已有研究表明Ca元素能有效改善Mg-RE镁合金耐热性能，然其机制尚不清楚。本项目选取低成本、且几乎无时效硬化行为的低含量稀土合金Mg-6Gd, 系统研究Ca元素添加对合金微观组织和耐热性能的影响规律和机制。综合利用金相、EBSD、SEM、TEM及XRD等表征方法，对合金的沉淀尺寸、晶体结构、析出相与基体位相关系、沉淀的体积分数及沉淀相的元素偏聚等进行系统深入的表征与分析，结合晶体学理论、相变理论及金属强化机制等阐明Ca元素对Mg-6Gd微观组织演变及耐热性能的影响机制。为实现低成本高耐热性能稀土镁合金的微观结构调控和性能优化提供理论指导。

镁合金是最轻的工程结构材料，近年来成为汽车和电子行业的重要轻质材料。但是该合金高温性能较差，工作温度超过200℃后不能用于结构件，这大大限制了它作为轻质结构材料的应用范围。近年来的研究表明，Ca以其较低的价格，但合金化效果明显而备受关注。本项目研究了Mg-6Gd合金中添加不同Ca元素的镁合金微观组织和蠕变性能。该项目完成了不同Ca含量对Mg-6Gd合金的组织结构的影响，主要利用HRTEM以及HAADF-STEM高分辨透射技术观察了镁合金在峰值时效下的沉淀尺寸、晶体结构、以及元素偏聚等微观组织特征。铸态Mg-6Gd、Mg-6Gd-0.5Ca、Mg-6Gd-1.0Ca三个合金经固溶处理后在200℃进行时效处理，从时效硬化曲线可以看出Mg-6Gd-0.5Ca具有更显著的时效硬化作用，Mg-6Gd和Mg-6Gd-1.0Ca合金的时效硬化作用很小，Mg-6Gd合金的强化相是β′相，但是数量较少，在时效硬度峰值条件下Mg-6Gd-0.5Ca合金包含了高密度的β相和基面的条纹相，导致硬度大幅度提高；而对于Mg-6Gd-1.0Ca合金，在时效过程中析出了大量的细长条纹状基面Mg2Ca相，该析出相与基体的位相关系有：[0002]Mg//[0002]Mg2Ca, [10-10]Mg//[11-20]Mg2Ca，由于Gd元素偏聚和富集在Mg2Ca相内部，降低了Gd元素在ɑ-Mg中的固溶度，导致了β相析出数量的大幅度降低，因此导致了时效硬化作用不明显。该研究使用了HAADF-STEM技术结合EDS分析证明了Gd元素大量偏聚在Mg2Ca相内部是导致β相密度降低的主要原因。挤压Mg-6Gd-xCa合金随着Ca含量的增加，再结晶更加完全，晶粒有细化的趋势，化合物含量呈现增加趋势，化合物主要是Mg2Ca相。所有挤压合金没有显示出明显的时效硬化作用，主要是在挤压过程中位错、孪晶界面、晶界等各种缺陷造成了Gd和Ca元素的动态析出，形成了平衡相Mg2Ca相和Mg5Gd相。挤压Mg-6Gd合金在175℃，100MPa的蠕变测试结果表明Mg-6Gd-1.0Ca合金的蠕变是受界面扩散控制的位错蠕变机制，蠕变机制主要是受化合物数量和晶粒尺寸因素的影响。Mg-6G-xCa合金经过冷轧后，由于晶内和晶界附近位错密度的增加，缩短了达到时效峰值的时间，抑制了晶界附近无析出区的出现，有效地提高了镁合金的强度。