高强可溶Mg-Y-Ni合金的力学性能及腐蚀性能研究

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具有LPSO相的Mg-RE合金由于其具有优异的力学性能以及腐蚀性能,是制作页岩油气开采行业中可溶压裂工具的理想材料,近年来被页岩油气开采以及科研人员广泛关注。但是目前可溶镁合金普遍存在强度不够、腐蚀速率不可控等诸多缺点。为了对可溶镁合金的性能进行改善,获得高强可控溶解的镁合金,通过铸造、变形以及诸多表征方式,研究了Ni元素以及LPSO相对铸态及挤压态Mg-Y-Ni合金的力学性能以及腐蚀性能的影响机制,寻找一种性能优异的高强可溶Mg-Y-Ni合金。探究了微量Ni元素对铸态及挤压态Mg-3Y-x Ni(x=0,0.1,0.5,1wt.%)合金的室温拉伸力学性能和腐蚀行为的影响规律及影响机制。结果表明:随着Ni含量的增加,合金中第二相的种类以及分布会发生转变并且晶粒明显细化,由镁固溶体转变至弥散分布的LPSO相+Mg24Y5相转变为网状分布的LPSO相并且第二相的体积分数会逐渐增加。Ni元素的添加造成的合金组织形貌的改变会使合金的强度先下降再上升,而腐蚀速率一直上升。经过挤压变形后,由于再结晶以及第二相的影响,挤压态合金的力学性能显著提升,腐蚀性能略有下降,但和铸态合金保持相同的规律。性能最优异的为Mg-3Y-1Niwt.%合金,析氢腐蚀速率达到79.3 mg/(cm~2·h),力学性能方面,合金的屈服强度以及抗拉强度分别达到了246 MPa和284 MPa,延伸率约为20%。为了进一步探究可溶Mg-Y-Ni合金的力学性能及腐蚀性能的变化规律,探究了LPSO的相体积分数对Mg-2x Y-x Ni(x=0.5,1,2 at.%)系列合金的室温拉伸力学性能和腐蚀性能的影响机制。随着合金中的Y/Ni原子的增加,合金中所产生的LPSO相的体积分数也逐渐变大,铸态合金及挤压态合金的室温拉伸力学性能均呈现递增的趋势,但LPSO相的体积分数的增加会导致合金腐蚀速率的下降。在挤压变形后,合金的抗拉强度以及屈服强度出现明显提升。随着LPSO相体积分数的增加,合金中再结晶比例持续增加,强度持续提升,但腐蚀速率略有下降。力学性能最高为Mg-4Y-2Ni at.%合金,屈服强度以及抗拉强度分别达到409MPa以及538MPa,延伸率约为3.5%。但是其腐蚀速率较慢,综合来看,Mg-2Y-1Ni合金具有最优异的综合性能。综合以上研究,本论文探究了微量Ni元素以及LPSO相对Mg-Y-Ni合金的力学性能以及腐蚀性能的影响机制,制备出了高强可溶Mg-2Y-1Ni at.%合金,其屈服强度以及抗拉强度分别为281 MPa以及388 MPa,延伸率为9.7%,腐蚀速率可以达到73.5 mg/(cm~2·h)。
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