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本论文主要研究了稀土Er对ZK60和AZ91两种高强度Mg合金微观组织结构,性能以及变形行为的影响。旨在利用稀土Er的合金化以及净化作用,进一步提高Mg合金的性能。
研究结果表明,稀土Er对铸态ZK60合金的组织和力学性能有显著影响。在ZK60合金中添加稀土Er能够细化合金的组织。当Er的添加量达到1.0 wt.%时,细化效果最佳。ZK60合金中添加Er后形成了Mg-Zn-Er三元稀土相,提高了合金的共晶反应温度,使得合金的结晶温度间隔由原来的146℃缩短为80℃,减少了合金在凝固过程中初生α-(Mg)枝晶的长大时间,从而细化了ZK60合金的组织。含有Er的ZK60合金在室温和150℃时的抗拉强度和延伸率较不含Er的ZK60合金均得到提高。当Er的添加量为1.0wt.%时获得了最佳的力学性能,室温和150℃拉伸时的抗拉强度(σ<,b>),屈服强度(σ<,0.2>)和延伸率(δ)分别达到:230 Mpa,120 Mpa,16.3%和170 Mpa,77 Mpa,42.4%。
采用Gleeble-1500D热/力模拟材料试验机,研究了ZK60和ZK60-1Er两种Mg合金的热压缩变形行为,并且应用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)较系统地研究了变形合金的微观组织结构。变形后的ZK60合金主要由基体α-(Mg)相、MgZn<,2>相以及在较低变形温度下(150℃和1250℃)动态析出的Mg<,2>Zn<,3>相组成。ZK60-1Er变形合金中除了含有α-(Mg)相和较低变形温度下(150℃和250℃)动态析出的Mg2Zn3相外,还含有块状和棒状的W<,Er>相(Mg<,3>Zn<,3>Er<,2>,面心立方(F.C.C.)结构)以及颗粒状的I<,Er>相(Mg<,3>Zn<,6>Er,面心二十面体准晶结构)等含有Er的稀土相。热压缩变形过程中,适当大小的稀土相会促进合金基体发生动态再结晶,增加再结晶晶粒的形核率,从而得到细小的再结晶组织。当变形温度为450℃时,颗粒状的I<,Er>相溶解,动态析出的棒状W<,Er>相增加。由于棒状W<,Er>相和颗粒状的I<,Er>相对合金晶界和基体的钉扎作用,添加Er增加了ZK60合金在热变形过程中的流变应力,提高了合金的变形激活能。
本论文还研究了在含有Er和MnCl<,2>的熔剂中Er的含量对AZ91合金的净化效果以及对合金组织和性能的影响。结果表明:将Er力口入含有MnCl<,2>的熔剂中,不仅保留了MnCl<,2>良好的除Fe效果,使合金中Fe/Mn比值低,熔炼工艺简单,而且熔剂中的Er对Mg合金熔体还具有明显的净化作用,能够有效地去除熔剂夹杂,从而提高合金的拉伸性能和耐腐蚀性能。熔炼AZ91合金时,在含有MnCl<,2>的熔剂中添加10%的Er,合金的σ<,b>和δ分别从156 MPa和1.8%上升到220 MPa和4.1%。同时,合金在5wt.%NaCl水溶液中的腐蚀速率从1.20 mg/(cm<2>·d)下降到0.15 mg/(cm<2>·d)。使用含Er熔剂精炼的AZ91合金拉伸断口形貌与使用不含Er熔剂精炼的AZ91合金相比较,其断裂机制没有发生改变,断口仍然呈现为准解理断裂的特征。然而,随着Er在熔剂中添加量的进一步提高,Er会进入合金中导致稀土相的生成。其中,一种是在β-(Mg<,17>Al<,12>)相附近的粗大稀土相Ψ-(Al<,7>ErMn<,5>),另一种是β-(Mg<,17>Al<,12>)相内部的细小稀土相τ-(Al<,66.7>Mg<,23.3>Er<,10>)。稀土相在合金中的分布极不均匀,对铸态AZ91合金的基体具有割裂作用,降低了枝晶之间的结合力,改变了β-(Mg<,17>Al<,12>)相的形态,使得β-(Mg<,17>Al<,12>)相由原来的粗大网状分布转变成断续的块状分布,从而增加了合金中腐蚀微电池的数量,使得AZ91合金的力学性能和耐腐蚀性能反而下降。