Mg-RE-Zn合金中LPSO相调控及其对力学与阻尼行为的影响研究

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近年来,航空航天、轨道交通和国防军工等重点领域重大装备发展日趋高速化、轻量化和大功率化,振动和噪声问题变得日益突出。具有高强减振特性的结构功能一体化镁合金对提升装备的可靠性、稳定性、控制精度和生存能力等方面具有战略意义。因此,具备高强度、高阻尼性能的新型结构功能一体化镁合金变得日益重要。但是,由于镁合金的强度与阻尼性能存在着不易兼得的矛盾问题,这严重制约了高强阻尼镁合金的发展与应用。LPSO相(长周期堆垛有序相)镁合金的发现,为高强阻尼镁合金的制备提供了借鉴思路。但是当前对Mg-RE-Zn合金中LPSO相的阻尼机理还缺乏系统研究。针对以上问题,本文围绕航空航天、轨道交通、国防军工等重大装备升级换代对高强阻尼镁合金的重大需求,针对镁合金中力学与阻尼性能不易兼得的难题,以含LPSO相的Mg-RE-Zn合金为研究对象,研究镁合金中LPSO相的组织演变及其对力学与阻尼性能的影响。本文首先研究了铸态下直接形成LPSO相的Mg-Er-Zn系合金在不同状态下的LPSO相演变及其对力学与阻尼性能的影响。通过控制镁合金中Er元素的含量制备出含有不同LPSO相数量的Mg-Er-Zn系合金。研究发现Mg-Er-Zn合金固溶处理后,合金中的第二相消失,合金元素以固溶原子的形式存在。固溶处理能够同时提升镁合金的力学与阻尼性能。而Mg-Er-Zn合金挤压后,可获得层状LPSO相,且随着Er元素含量的增加,层状LPSO相数量逐渐增加,但合金的阻尼性能呈下降的趋势,说明层状LPSO相不利于镁合金阻尼性能的提升。其次,研究了不同成分热处理后形成LPSO相的Mg-Gd-Zn系合金在不同热处理工艺下的组织演变及其对镁合金力学与阻尼性能的影响。通过固定Gd/Zn原子的比值,调控镁合金中LPSO相的含量的变化。研究发现固溶处理后,Mg-Gd-Zn合金中依然只有α-Mg基体相和(Mg,Zn)3Gd共晶相两种相。Mg-Gd-Zn合金的强度没有明显的变化,但镁合金的塑性均有不同程度的增加,其中Mg97.67Gd1.33Zn1合金的抗拉强度为260MPa,断后伸长率为26%,阻尼值为0.0128,具有良好的综合性能和较优异的塑性。然后,基于前两章实验结果,研究了同时含有Mg-Y-Zn型LPSO相和Mg-Gd-Zn型LPSO相的Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的LPSO相的演变及其对镁合金力学与阻尼性能的影响。通过改变Gd元素含量、热处理与挤压工艺控制,调控具有两种LPSO相的Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的LPSO相的数量、形貌、分布,并研究其对力学与阻尼性能的影响。研究发现热处理工艺对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金阻尼性能的影响较大,不同热处理工艺下获得的最大阻尼值Q-1为0.014,最小阻尼值Q-1为0.005,两者相差近3倍,这与LPSO相的形貌密切相关。由此提出含LPSO相高强阻尼镁合金形貌调控准则,如要设计高阻尼镁合金,则应尽可能获得较多的杆状LPSO相;如要提升抗拉强度,则应获得层状LPSO相。随后,研究了不参与LPSO相形成的Nd元素对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金微观组织演变及力学与阻尼性能的影响。研究发现在Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金中添加微量的Nd元素,进一步优化了镁合金的力学与阻尼性能,并且Nd元素的存在能够阻碍共晶相向LPSO相的转变。其中添加了含量1.0wt.%Nd元素的镁合金综合力学性能较好,抗拉强度达到414MPa,断后伸长率为7.3%,阻尼值Q-1为0.015。最后,探讨了Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金力学与阻尼性能的平衡优化机理。研究发现含LPSO相挤压镁合金可以通过制备双峰组织获得大小相间的晶粒。这种组织既可以协同镁合金的受力变形,提高镁合金的强度与塑性,并且对镁合金阻尼性能的提升也十分有利。针对挤压态Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金,总结提出了获得高强阻尼性能镁合金的扭折式微观组织结构。
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