Mg-Zn-Er合金准晶相形成机制及抗蠕变性能研究

为扩大镁合金在汽车等领域的应用，开发适用于汽车动力系统的性能优良耐热镁合金已成为镁合金材料重要的研究课题。本项目拟在富镁区添加元素Zn和稀土元素Er，通过合金成分设计，制备出不同成分含量（Zn/Er比）的Mg-Zn-Er三元合金，利用DSC、XRD、OM、SEM、TEM、HREM等分析手段，探明准晶相形貌、大小、分布，并根据合金体系凝固过程热力学和动力学分析准晶相的形成机制，在Mg、Zn、Er成分三角形中建立准晶相的形成区域；揭示准晶相在热处理和热变形条件下的组织演变规律及对镁合金抗蠕变性能的影响机制，建立准晶相与镁合金高温力学性能和抗蠕变性能之间的内在关系，从科学本质上掌握含Er镁合金中准晶相的形成机理和抗蠕变机理，为研究开发新型含准晶相的稀土耐热镁合金提供重要的理论依据。

本课题紧紧围绕Mg-Zn-Er系合金进行了研究，通过3年的研究工作，先后确定了准晶I相、W相的形成的成分区间，揭示了合金成分变化导致合金中相组成的变化规律，为深入研究非平衡凝固条件下准晶I相、W相的形成机制提供了理论基础。同时，深入研究了非平衡凝固条件下Mg-Zn-Er系合金中I相及W相的形成机制，提出了有关I相及W相的形成机制。另外，研究发现高温条件下保温导致初生I相的分解且伴随内部有大量白色区域形成，分解后的I相的平均成分为Mg63.04Zn36.12Er0.8。最终I相的分解完全后的主要残留物为Mg、Er及少量的Zn元素。除了粗大准晶的分解外，还有缺陷诱导下的纳米级别的准晶/W相颗粒的析出。该颗粒的尺寸较小，其范围约为几十纳米到几百纳米之间，分布较均匀，只是生成量较少。最终我们确定了Mg-Zn-Er的热处理温度区间，得到了合理的固溶处理温度条件，可实现初生准晶的消溶和纳米准晶和纳米W相的可控析出，进而获得了纳米颗粒增强的Mg-Zn-Er镁合金。深入研究发现，Mg-Zn-Er合金的力学性能与相组成有着密切的联系。固定Zn含量情况下，Mg-Zn-Er铸态合金的室温抗拉强度在其组分Zn/Er比10~6范围内随着Er含量的增加而随之增加；当Zn/Er比满足合金相组成中出现W相的条件达到4和2时，铸态合金抗拉强度随之下降，而在5wt.%和7wt.% Zn组内Zn/Er比为1时铸态合金的抗拉强度达到峰值213.70MPa和209.94MPa。当Zn/Er比为0.8即合金中第二相全为W相时，合金抗拉强度下降明显。同样在固定Zn含量情况下，Mg-Zn-Er铸态合金的屈服强度随着Er含量的增加而增加，只是在合金第二相全为W相时屈服强度稍有下降，而合金的延伸率随着Er含量的增加而降低。另外，我们展开了Mg-Zn-Er挤压合金的组织及性能的研究，结果表明，挤压合金的力学性能与合金中的I相、W相含量、分布有密切联系，通过选择不同成分条件下的合金进行挤压加工，可制得了不同力学规格的变形合金棒材。该挤压合金不但具有较高的强度还具有优异的塑性，部分合金在高温条件下就具备有良好的高温性能，尤其是具有较高的延展性，在较低温度下即可呈现超塑性。这要主要归因于合金中的I相。