【摘 要】
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镁合金具有低密度、高比强度、高导热性和尺寸稳定等优良特性,被广泛地应用在航空航天、汽车轻量化和制造轻薄类电子产品等方面。由于常规镁合金室温强度偏低和耐蚀性较差,室温成形困难且高的腐蚀速率容易导致零部件在使用过程中提前断裂失效,从而在提高合金综合力学性能的基础上保证优异的耐腐蚀性能是研制新型高性能镁合金的关键。Mg-Ga系合金是一类新型有潜力的高性能镁合金,目前尚缺乏系统深入的研究。前期研究表明,该
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镁合金具有低密度、高比强度、高导热性和尺寸稳定等优良特性,被广泛地应用在航空航天、汽车轻量化和制造轻薄类电子产品等方面。由于常规镁合金室温强度偏低和耐蚀性较差,室温成形困难且高的腐蚀速率容易导致零部件在使用过程中提前断裂失效,从而在提高合金综合力学性能的基础上保证优异的耐腐蚀性能是研制新型高性能镁合金的关键。Mg-Ga系合金是一类新型有潜力的高性能镁合金,目前尚缺乏系统深入的研究。前期研究表明,该体系合金具有较为优异的塑性且可以实现时效强化。因此,论文开展Mg-Ga-Zn系合金组织、力学性能和耐腐蚀性能的研究,目的在于研制一种新型高性能镁合金材料。本文以Mg-5wt.%Ga合金为研究对象,系统地研究了 Zn合金化（0、0.3、0.6、0.9、1.2wt.%）及时效处理对其微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响,深入探讨了 Zn元素在合金时效析出过程中的作用,揭示了合金力学性能及耐蚀性与微观组织的相关性。主要结论如下:（1）研究了 Zn合金化对铸态和固溶态Mg-5Ga合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:Zn的加入可以细化铸态和固溶态合金的晶粒,其平均晶粒尺寸随着Zn含量的增加呈现先减小后增加的趋势,其中Mg-5Ga-0.9Zn合金晶粒尺寸最小;固溶处理后,铸态合金中由Mg5Ga2第二相和α-Mg组成的离异共晶组织转变为均匀的α-Mg单相组织;随着Zn含量的增加,铸态Mg-5Ga-xZn合金的屈服强度（YTS）逐渐增加,抗拉强度（UTS）和伸长率（El）则呈现先增加后降低的趋势,其中Mg-5Ga-0.9Zn合金的综合力学性能最佳,其UTS、YTS和El分别为230MPa、81MPa和25.1%;固溶态合金的UTS、YTS和El随着Zn含量的增加而单调增加,其中Mg-5Ga-1.2Zn合金的综合力学性能最佳,其UTS、YTS和El分别为260MPa、97MPa和40.3%;合金强度的增加可归因于固溶强化和细晶强化的综合作用。（2）研究了 Zn合金化对铸态和固溶态Mg-5Ga合金耐腐蚀性能的影响。结果表明:铸态和固溶态合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速率均随着Zn含量的增加呈现先减小后增加的趋势;在铸态合金中,Mg-5Ga-0.6Zn合金的耐蚀性最佳,其7天失重速率为1.571 mg.cm-2·d-1;在固溶态合金中,Mg-5Ga-0.9Zn合金的耐蚀性最佳,其7天失重速率仅为0.835 mg·cm-2·d-1;Zn的加入可以明显地改善合金腐蚀产物膜的致密性,抑制阴极析氢反应;与铸态合金相比,固溶态合金的耐蚀性大幅提升,这可归因于第二相溶解导致电偶腐蚀作用明显减弱。（3）研究了 Mg-5Ga-xZn合金在250℃下的时效硬化行为,结果表明:Zn的加入可以加速合金的时效动力学并提高其时效硬化能力,其中Mg-5Ga-1.2Zn合金具有最佳的时效硬化效果,比Mg-5Ga合金峰值硬度提高了 14%,且达到峰值所需的时间缩短了 4h;峰值时效态Mg-5Ga和Mg-5Ga-1.2Zn合金中的析出相均以棒状Mg5Ga2相为主,其长度方向与基体的[0110]Mg方向平行,与基体之间的位向关系为:[002]Mg5Ga2//[1120]Mg;Zn的加入可以细化棒状Mg5Ga2相并增加其数量,这可归因于Zn在α-Mg与Mg5Ga2之间的相界面处富集,有助于降低相界面自由能,进而提高析出相形核速率。（4）探究了峰值时效态Mg-5Ga-xZn合金的力学性能及耐腐蚀性能与析出相特征的相关性,结果表明:合金的强度随着Zn含量的增加而单调增加,而伸长率逐渐降低,其中Mg-5Ga-1.2Zn合金的UTS和YTS最高,分别为268MPa和131MPa;与固溶态相比,峰值时效态Mg-5Ga合金的屈服强度增量为15MPa,Mg-5Ga-1.2Zn合金的屈服强度增量为34MPa,可归因于Zn的加入具有显著增强合金中析出相强化的作用;峰值时效态合金的耐腐蚀性能随着Zn含量的增加呈现先增强后减弱的趋势,其中Mg-5Ga-0.9Zn合金的耐蚀性最佳,其在3.5%NaCl溶液中浸泡7天的失重速率为0.994 mg·cm-2·d-1,自腐蚀电位为-1.514 V,腐蚀电流密度为15.14 μA/cm~2。时效态含Zn合金耐蚀性的增强可归因于Zn细化析出相尺寸并促进析出相均匀分布,促使点状腐蚀和丝状腐蚀更为均匀,同时添加适量的Zn还有助于提高腐蚀产物膜的致密性和均匀性。
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