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日本材料科学家Y.Kawamura首次成功制备长周期有序堆垛增强Mg97Zn1Y2合金至今,长周期有序堆垛增强镁合金取得了很大的发展。但目前对于长周期增强镁合金仍有存在几个关键的问题没有得到解决,比如学者们对于长周期有序堆垛结构的形成和转变机理、长周期结构的强化机理都进行了研究,但至今没有还没有形成统一完整的理论体系;此外对于制备长周期增强镁合金的制备工艺也不成熟,有待进一步的研究。
本文用常规铸造的方式成功制备了含有长周期有序堆垛结构的Mg-Zn(Ni)-Dy系合金,使用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜等对长周期有序堆垛结构进行了分析,并研究了热处理和等通道挤压变形处理对长周期有序堆垛结构的影响规律及对合金力学性能的影响规律。其研究成果如下:
在Mg-Zn-Dy合金中,当Dy/Zn=1时,铸态合金中没有长周期有序堆垛结构(LPSO相)形成;当Dy/Zn=2时,铸态合金中只有少量长周期有序堆垛结构(LPSO相)形成;当Dy/Zn>2时,铸态合金中开始出现大量的长周期有序堆垛结构(LPSO相),而且随着Zn和Dy原子在Mg-Zn-Dy合金中百分比的增加,合金中长周期有序堆垛结构(LPSO相)的数量也随之增加。
Zr的添加抑制了铸态Mg-Zn-Dy-Zr合金组织中长周期有序堆垛结构(LPSO相)的形成,同时还改变了LPSO相的形貌。Zr诱发了铸态合金中Mg8ZnDy共晶相的形成,共晶相的晶体结构类型是面心立方。而且铸态组织中的LPSO相随Zr含量的增加而减少,Mg8ZnDy共晶相反而随之增多。Mg8ZnDy共晶相在固溶处理过程中可以转变成LPSO相。
Zr元素能有效细化铸态Mg-Zn-Dy合金的基体晶粒,晶粒尺寸随Zr含量的增加而逐渐减小。但存在临界值,即当Zr的含量小于0.17at.%时,细化效果明显,而Zr含量在0.17at.%到0.35at.%时,细化效果逐渐减弱。当Zr含量小于0.17at.%时,晶粒细化的主要机制是溶于Mg中的Zr抑制晶粒长大。当Zr含量大于0.17at.%时,晶粒细化的主要机制是Zr对镁合金的异质形核作用。
Mg93.83Zn1.5Dy4.5Zr0.17合金中的长周期有序堆垛结构的形貌与分布经过不同的处理发生很大变化,长周期结构(LPSO相)在铸态下以块状分布在晶界附近,与Mg8ZnDy共晶相连成连续网状结构。而固溶处理后出现针状长周期结构(LPSO相)向晶粒内部生长,晶界处块状长周期结构(LPSO相)变得粗大。时效处理使得晶界处块状长周期结构(LPSO相)减少,而针状长周期结构(LPSO相)大量增多。合金经等通道挤压后,长周期结构(LPSO相)得到明显细化并出现大量扭折,分布弥散化。
长周期结构(LPSO相)的存在固然可以提高合金的性能,但是其形貌和分布对合金的力学性能也起着非常关键的作用。块状长周期结构(LPSO相)可以提高合金的塑性,而晶粒内针状相与镁基体的夹层结构可以提高合金的强度,长周期结构(LPSO相)扭折带能够协调合金塑性变形从而提高合金塑性,弥散分布的长周期结构(LPSO相)能够有效阻碍位错运动,提高合金强度。
在Mg-Ni-Dy合金中可以形成长周期有序堆垛结构。且从组织上看,Mg-Ni-Dy合金的显微组织比Mg-Zn-Dy合金更细小,且形成的长周期结构(LPSO相)的数量更多。在铸态Mg100-2xNixDyx合金中,随着Ni和Dy含量的提高,组织中的长周期结构(LPSO相)逐渐增多且基体晶粒尺寸逐渐减小。
Mg100-2xNixDyx合金经固溶处理后,长周期有序堆垛结构(LPSO相)的数量大量增加且均分布在晶界处和晶粒内部,随着Ni和Dy含量的提高,晶界处的长周期结构(LPSO相)增多而晶粒内部的针状长周期结构(LPSO相)减少。