【摘 要】
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镁合金材料因其显著的轻量化优势,在汽车、航空航天等领域有大量的应用,然而镁合金在高温时明显降低的性能限制了它更广阔的应用。Mg-Gd-Nd系镁合金具有优异的热处理强化特性和良好的耐高温性能,是近年来的研究热点之一。Ca元素添加到Mg-RE合金中可以细化合金的晶粒,形成热稳定的第二相,Mg-RE-Ca合金有望开发成为一种新型耐热镁合金。本文设计了名义成分为Mg-9Gd-2Nd-x Ca-0.5Zr（
【基金项目】
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有色金属新材料与先进加工技术省部共建协同创新中心； 国家自然科学基金（51571084）；
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镁合金材料因其显著的轻量化优势,在汽车、航空航天等领域有大量的应用,然而镁合金在高温时明显降低的性能限制了它更广阔的应用。Mg-Gd-Nd系镁合金具有优异的热处理强化特性和良好的耐高温性能,是近年来的研究热点之一。Ca元素添加到Mg-RE合金中可以细化合金的晶粒,形成热稳定的第二相,Mg-RE-Ca合金有望开发成为一种新型耐热镁合金。本文设计了名义成分为Mg-9Gd-2Nd-x Ca-0.5Zr（x=0,0.5,1.0,1.5 wt.%）的四种镁合金（分别记为X0、X5、X10和X15）,并以此为研究对象,通过硬度、拉伸和蠕变性能测试,光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜等分析手段,对合金的组织和性能进行分析和研究,旨在为开发新型含Ca耐热镁稀土合金提供实验依据和参考。对铸态和热处理态的合金组织进行分析。铸态X0合金的晶粒粗大,其组织由基体和共晶相(包含Mg5Gd相和Mg41Nd5相)组成,基体被枝晶结构的第二相包围。加入Ca元素后,组织中形成了新相Mg2Ca相,适量的Ca元素能够显著细化合金的晶粒。合金组织中的第二相含量随着Ca添加量的增加而增高,且主要分布在晶界。选取X10合金进行热处理工艺的优化,发现合金在高于480℃热处理时,合金组织会产生过烧,晶粒内部出现复熔共晶球。热处理工艺优化结果表明X10合金经过固溶处理后,铸态合金中的成分偏析得到改善,组织中的第二相大部分溶解,剩余少量的难溶第二相;固溶态合金经过时效处理后,组织中弥散分布着大量细小的β′析出相。合金的最佳热处理工艺为:固溶470℃×16h,时效225℃×12h。铸态Mg-9Gd-2Nd-xCa-0.5Zr合金在室温时的抗拉强度和伸长率随着Ca含量的增加先升高后降低,铸态X10合金有最佳的综合力学性能,其抗拉强度和伸长率分别为155MPa和2.9%。铸态合金经过固溶和时效处理后,组织中形成了大量细小的β′相,合金的综合力学性能得到提高。时效态X10合金在室温时的抗拉强度和伸长率分别为256MPa和3.5%,随着拉伸温度升高,时效态X10合金的抗拉强度逐渐下降,而伸长率呈现相反的趋势。时效态X10合金在低温低应力（200℃/50MPa）具有优异的抗蠕变性能,增加蠕变温度和蠕变应力时,合金的蠕变应变量和稳态蠕变速率也随之增加,合金在250℃/50MPa的蠕变条件下仍有较低的稳态蠕变速率,为6.77×10-9s-1。合金在蠕变100h后,晶界处的析出相粗化明显,在部分晶界出现宽的晶界无析出带,晶内的β′相转变为尺寸较大的β1相和β相,降低了合金的蠕变抗力。在200℃/50MPa的条件下,合金的蠕变机制为晶界滑动机制;随着蠕变温度和应力增加,合金在225℃/70MPa条件时的蠕变主导机制为位错攀移机制;在高温高应力（250℃/90MPa）条件下,合金的蠕变激活能激增,幂律蠕变定律失效。
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