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Mg-Gd系高强耐热镁合金,由于其优异的时效强化效果和良好的耐热性能,在军事工业、航空航天和汽车等领域具有广阔的应用前景。本课题组设计开发的Mg-Gd-Y-Sm-Zr系耐热稀土镁合金时效态下不仅室温强度高,而且在室温到250℃范围内,随拉伸温度的提高,抗拉强度明显提高,出现抗拉强度反常温度效应。本文采用光学显微镜、X射线衍射仪、带能谱的扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段,并通过室温和高温拉伸试验、蠕变试验等,系统研究了Mg-Gd、Mg-Gd-Sm-Zr及Mg-Gd-Y-Sm-Zr系合金微观组织和力学性能,在此基础上,研究了Mg-Gd(-Y-Sm-Zr)不同系列合金中抗拉强度反常温度效应的产生规律,并对该系合金中出现的抗拉强度反常温度效应的微观机理进行了深入探讨。结果如下:通过研究Mg-(5-20)Gd二元合金的组织和性能表明,时效态Mg-12Gd合金组织由基体α-Mg和底心正交的β’相组成,力学性能最好,并开始出现了抗拉强度反常温度效应;当Gd含量更高时,合金抗拉强度反常温度效应更加明显。通过研究Gd含量对时效态Mg-(6-15)Gd-1Sm-0.5Zr镁合金组织和性能影响表明,合金主要由基体α-Mg和颗粒状β’相组成,且随着Gd含量的增加,β’相逐渐增多,合金晶粒尺寸先减小后增大,在Gd含量为9%时晶粒尺寸最小;随着Gd含量的增加,在室温到300℃温度范围内,合金抗拉强度和屈服强度均有不同程度的提高,而伸长率则在200℃以下随之减小、大于200℃时随之增加;当Gd含量大于9%时,合金抗拉强度随拉伸温度的升高而升高,具有明显的反常温度效应。通过研究稀土元素Y含量对时效态Mg-12Gd-(0-5)Y-1Sm-0.5Zr镁合金组织和性能的影响表明,合金组织主要由α-Mg基体和颗粒状β’相组成;在室温到300℃范围内所有研究合金的抗拉强度均随拉伸温度的升高先升高后降低,在250℃时分别达到各自的最大值(其中时效态Mg-12Gd-3Y-1Sm-0.5Zr合金为323 MPa),抗拉强度具有明显的反常温度效应。时效态Mg-12Gd-3Y-1Sm-0.5Zr合金的高温X射线衍射结果分析表明,在从室温到300℃范围内,合金的衍射谱未发生明显变化。经过进一步分析计算,发现基体α-Mg的晶轴比(c/a)减小,尤其在200℃和250℃时α-Mg晶轴比减小明显,这更有利于合金非基面滑移开动和拉伸过程的协调变形,有利于高温(200℃和250℃)强度的提高。高温透射电镜从室温到300℃原位加热分析表明,时效态Mg-Gd-Y-Sm-Zr系合金在200℃和250℃原位加热时合金中部分颗粒状、底心正交的β’相转变为尺寸为几纳米、弥散分布的面心立方的β1相,β1相形态更圆整、尺寸更细小,且耐热性更强,这一转变可有效提高合金200℃和250℃时的抗拉强度。随着加热温度的进一步提高,β1相长大,进而演变为200~300纳米的短条状面心立方的β相,β相晶胞较大,与基体不共格,结果使合金在300℃时抗拉强度下降。这被认为是产生抗拉强度反常温度效应的一个主要原因。对时效态Mg-12Gd-2Y-1Sm-0.5Zr合金的高温拉伸恢复至室温后的试样进行透射电镜分析表明,经过200℃和250℃高温拉伸后,合金中出现了长周期有序结构相(LPSO相),LPSO相具有优异的高温热稳定性和塑性变形能力,使合金在200℃和250℃抗拉强度不降反升;若温度进一步提高(为300℃时),强化相减少,抗拉强度下降。这被认为是合金产生了抗拉强度反常温度效应的另一个主要原因。在(200℃,250℃,300℃)/(50MPa,70MPa,90MPa)的条件下,Mg-12Gd-3Y-1Sm-0.5Zr合金具有优异的抗蠕变性能,其抗蠕变性能优于商用镁合金WE43。Mg-12Gd-3Y-1Sm-0.5Zr合金的蠕变主要受晶界滑移和位错滑移机制控制。