合金元素Gd、Y、Sn对镁合金挤压板室温塑性的影响

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稀土镁合金具有良好的高温强度和抗蠕变性能,使其在成本较高的前提下依然广泛应用于动力系统、变速器壳体以及结构性骨架等交通运输和航空航天零部件。与大部分镁合金类似,稀土镁合金也受密排六方晶体结构对称性较差的影响,呈现出较差的室温塑性。稀土元素的添加虽然可以通过固溶时效来提高合金强度,但会损害合金塑性。而且在变形过程中晶粒的择优取向严重,易引起强基面织构,不利于后续加工的进行。本研究基于Gd、Y稀土元素在镁合金中较大的固溶度,利用微合金化与高温固溶来获得高度固溶的近似单相固溶体,从而提升合金塑性成形能力。同时,利用Sn元素的固溶软化来改善合金的各向异性,实现合金的织构改性。从而为在镁合金中具有较大固溶度的合金元素提供了一种低成本、短工艺流程增塑镁合金的方式。主要研究内容与结果如下:(1)大铸锭良好固溶效果的获得需要控制Gd含量在0.6wt.%以下,Y含量在0.9wt.%以下,Sn元素单独添加时可以在3wt.%以下,但复合添加时要在0.3wt.%以下。二元Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Sn合金高温固溶处理后基体中第二相的面积百分比最大值分别为0.315%、0.606%和0.037%。三元合金中,Mg-Gd-Y的固溶效果最好,第二相面积百分比在0.246%-0.421%之间;Mg-Sn-Y次之,第二相面积百分比在0.665%-0.896%之间;Mg-Sn-Gd最差,第二相面积百分比均在1%以上,Gd含量的增加对合金中第二相含量的变化几乎无影响。(2)微合金化的大铸锭经高温固溶后,可使合金在挤压变形过程中获得细晶组织。合金元素含量较高的大铸锭,高温固溶效果较差,其热挤压变形同时受固溶原子和第二相影响。此时,只有进一步提高合金元素含量才能获得均匀的细晶组织。(3)单独添加Gd或Y后,合金的基面织构沿ED方向偏转形成双峰织构,且随元素含量的增加,沿ED方向的偏转角逐渐增大,织构强度先增加后减小。Mg-Gd合金比Mg-Y合金具有更高的塑性,Mg-Gd最大延伸率为38.7%,Mg-Y最大延伸率为35.2%,强度上无明显差别。挤压坯料的高温固溶可大大提升挤压板的室温成形性。Mg-0.14Y和Mg-0.55Gd是同系列合金中固溶效果最好的,其室温Erichsen值分别高达5.4mm和4.6mm。微量Sn元素可以调控合金的各向异性,使基极沿TD发生显著拉长。Mg-0.2Sn-xY和Mg-0.2Sn-xGd(x=0.4,0.8,1.2,均为wt.%)挤压板中,织构各向异性得到有效调控。Gd、Y含量的增加不改变织构特征,且两类合金的最大极密度分布范围非常接近,最大极密度值在7-9 M.R.D之间。Mg-0.2Sn-0.4Y合金的各向同性较好,最大延伸率和最小延伸率差值仅为2.2%,平均延伸率在20%以上。Mg-0.2Sn-0.8Gd合金的延伸率最大值与最小值之间仅差0.6%,且平均延伸率在23%以上。(4)Gd、Y复合添加情况下,微合金化具有更好的晶粒细化和织构弱化效果。Mg-0.4Gd-xY(x=0.4,0.8,1.2,均为wt.%)合金平均晶粒尺寸在8-10μm之间,沿ED方向的延伸率均在30%以上。但随着Y含量增加,合金的各向异性增强,Mg-0.4Gd-1.2Y的最大和最小延伸率分别为33.0%和17.5%。在微合金化的Mg-0.2Gd-0.2Y合金中,平均晶粒尺寸为6.42μm,动态再结晶较完全,再结晶比例占96.7%。比同系列合金中晶粒尺寸最小的Mg-0.4Gd-0.8Y合金晶粒尺寸减小38%。基面织构仍然沿ED方向偏转形成双峰织构,但沿TD方向有35.7o左右的拉伸,各向异性仍然较强。最大延伸率和最小延伸率分别为32.3%和21.2%。(5)传统合金系经微合金化与高温固溶后,塑性得到显著改善。Sn元素的添加使合金的塑性显著下降,但各向同性显著增加。Mg-0.2Gd-0.2Y-0.2Sn合金平均晶粒尺寸为11.16μm,较基础合金的晶粒尺寸增大74%,但仍然比较细小。其最大和最小延伸率分别发生在45o方向和90o方向,为21.2%和17.8%,对应的屈服强度从110MPa增加至119MPa。Mg-0.2Gd-0.2Y-0.2Zr合金的平均再结晶晶粒尺寸为1.01μm,大量小晶粒分布于300-500nm之间。Zr元素的添加改变了稀土合金的固有双峰织构,使合金呈现较强的基面织构,但其整体塑性较好,且各向异性得到了有效控制。该合金的最大延伸率为26.9%,在0o和90o方向的延伸率分别为25.7%和24.6%。抗拉强度几乎各向同性,在250-270MPa之间,较之基础合金有微弱提升。(6)合金化与高温固溶处理可使合金获得良好的成形性和室温塑性。Gd、Y、Zr元素的微量添可以促进锥面<c+a>和<c>滑移的启动,提高合金塑性。Sn元素的添加主要是促进柱面<a>滑移的的启动。(7)高塑性断口主要由大小不一的深韧窝、撕裂棱和细小晶面组成。随着塑性的降低,韧窝深度变浅且数量减少,撕裂棱逐渐变大。塑性继续降低,则会出现明显的解理断裂特征,即断口表面由大量的解理台阶和解理面组成。此外,断口上还有少量二次裂纹和第二相颗粒存在。
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