稀土元素(Gd、La、Ce)对Mg-2Ni-2Y合金组织和性能的影响

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镁合金作为最轻的金属结构材料,具有比强度高、阻尼性能好、电磁屏蔽性佳、导电导热能力好等一系列优点,在航空航天、3C电子、国防军事、轨道交通等领域有十分广阔的应用前景。然而,其绝对强度较低,无法胜任许多领域对材料高强度的要求,这极大的限制了镁合金的发展。近年来,在Mg-TM-RE系(TM:transition metal,RE:rare earth)合金中发现了长周期堆垛有序相(LPSO相),其独特的结构和对镁合金的强化作用吸引了许多研究者的目光。经过文献调研发现,Mg-Ni-Y镁合金由于LPSO相的存在具有十分优异的力学性能,而稀土元素(Gd、La、Ce)可以有效细化晶粒,弱化织构,对镁合金的性能有积极影响。然而,关于Gd、La、Ce元素对Mg-Ni-Y合金影响并没有太深入的研究。本文以Mg-2Ni-2Y合金为研究对象,设计了Mg-2Ni-2Y,Mg-2Ni-1Y-1Gd,Mg-2Ni-2Gd,Mg-2Ni-1.7Y-0.3La,Mg-2Ni-1.4Y-0.6La,Mg-2Ni-2Y-0.3La,Mg-2Ni-2Y-0.3Ce(at.%)合金,研究了Gd、La、Ce元素对Mg-2Ni-2Y合金显微组织和力学性能的影响。得出的主要结论如下:(1)Gd的替代对合金的微观形貌和相组成的影响较小,但显著降低了LPSO相的含量,这表明Gd形成LPSO相的能力比Y弱。热处理既改变了LPSO相的形貌,也改变了LPSO相的结构。Gd对动态再结晶有促进作用,能弱化合金织构,但对挤压态合金的晶粒尺寸影响很小。(2)La的替代改变了合金的主要相组成,但对合金的微观相貌的影响不大。热处理会改变了合金中各相的形貌,促进Mg12La相的进一步长大,但对主要相组成没有影响。挤压态合金晶粒尺寸受La替代的影响十分有限,但La元素会降低再结晶程度,弱化织构。此外,La的替代也显著降低了LPSO相的含量。(3)La和Ce的添加使合金中形成了晶体结构相近的Mg12La和Mg12Ce相,改变了主要相组成。当La和Ce的添加量相同时,铸态合金中形成的LPSO相和化合物相含量也基本相同。La和Ce基本不影响Mg-2Ni-2Y合金晶粒大小,但会抑制动态再结晶的进行,也会显著的弱化合金织构。(4)热处理促进了LPSO相向镁基体中溶解。Gd元素会使LPSO相在热处理过程中更容易溶解进α-Mg基体。而与Ce元素相比,La元素的存在增加了LPSO相在热处理过程中向α-Mg基体中的溶解程度。(5)挤压前进行热处理会使晶粒变大,能促进动态再结晶,对织构弱化也有一定的作用。挤压前经过热处理的合金的强度进一步降低,这归因于晶粒尺寸的增加和LPSO相含量的降低。(6)LPSO相体积分数越高,合金的强度越高,但高体积分数的LPSO相会恶化合金的塑性。当LPSO相含量相同时,化合物相在合金中起主要强化作用,Mg12La相的强化效果比Mg12Ce相更好。而当LPSO相含量不同时,LPSO相对合金强度的影响比化合物相更大,此时,合金强度会随着LPSO相含量的变化而变化。另外,LPSO相在合金中的弥散程度越高,合金强度也越高,这与α-Mg/LPSO相的两相界面对变形的阻碍有关。
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