超声处理对Mg-6Gd-3Y-0.4Zr-2Zn镁合金组织性能及固溶工艺影响研究

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高强Mg-RE系镁合金较其他系镁合金具有较好的综合力学性能。但由于高强Mg-RE系镁合金往往稀土元素(如:Gd、Y、Nd等)的总含量较高,凝固过程中第二相较多,熔点较高,且分布不均。这不仅影响到合金的铸态力学性能,也为后续的热处理带来了不便。稀土镁合金成本较高也限制了其应用范围。研究表明:机械振动、超声波等对铝合金、钢熔体处理后,能够细化合金铸态组织、均匀化组织、改善铸造缺陷、降低偏析。  本文以Mg-RE系镁合金中的Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金为研究基础,选取前期研究中性能较优Mg-6Gd-3Y-0.4Zr-2Zn作为实验合金,采用不同方式对合金熔体进行处理,探讨的合金熔体处理对合金组织、力学性能以及后续热处理工艺及组织的影响。实验对金属熔体进行机械振动、半固态搅拌、超声波等方法处理,采用金属模铸法制备金属铸锭。采用 X射线荧光光谱(XRF)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射分析(XRD)等分析手段,通过室温拉伸性能,较系统地研究了 Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金熔体处理对合金组织及力学性能的影响;对合金进行固溶工艺优化,探讨超声波熔体处理后对合金固溶工艺的影响,为熔体处理在稀土镁合金的应用提供一定的理论和实践依据。研究主要结果如下:  1. Mg-6Gd-3Y-0.4Zr-2Zn铸态合金主要由α-Mg,Mg24(GdYZn)5以及Mg12ZnY相组成。合金铸态组织基体晶粒粗大,第二相分布很不均匀。通过对合金熔体进行不同的处理,起到了不同的效果,其中超声波处理后合金基体晶粒得到明显细化,第二相分布均匀且弥散。  2.对合金试样进行室温拉伸结果显示:铸态Mg-6Gd-3Y-0.4Zr-2Zn合金熔体未处理时延伸率为2.8%,抗拉强度为150Mpa;半固态搅拌后合金力学性能下降,认为与氧化夹杂物增多有关;合金熔体经超声波处理后具有最好的力学性能,其抗拉强度达到195Mpa,延伸率为3.9%;超声波熔体处理在提高合金抗拉强度的同时合金延伸率也得到提高。  3.对Mg-6Gd-3Y-0.4Zr-2Zn合金熔体进行超声处理能够提高合金元素Gd、Y和Zn的晶内相对固溶度,Gd、Y和Zn的晶内相对固溶度分别从54.6%、62.8%和48.6%提高到64.0%、89.4%和51.9%;合金晶内偏析程度明显得以改善。  4.对 Mg-6Gd-3Y-0.4Zr-2Zn合金进行固溶工艺优化,本实验条件下确定其最佳的固溶工艺为510℃×12h;该合金中Mg12ZnY相属于高熔点相,一般很难通过固溶处理将其固溶入镁基体,超声处理能够明显细化该相及改善该相的分布状况;超声波熔体处理后,在相同温度下进行固溶处理合金固溶时间明显缩短,从原来的12h减少到6h;固溶时间缩短是因为:第二相在超声波处理过程中被细化,使其在固相扩散中更加容易(速度更快),超声波熔体处理后合金基体晶粒细化,晶粒表面增多,晶粒表面积变大,扩散效率大大增加。  5.合金经超声波熔体处理的T4态合金,其抗拉强度达到254Mpa,接近同类Mg-Gd-Y系合金中的高Gd(重量百分比大于10%)含量合金的抗拉强度;屈服延伸率为13.7%,远优于Mg-Gd-Y系合金中的高Gd(重量百分比大于10%)含量合金的延伸率;与未经熔体处理的T4态合金比较其抗拉强度提高20.7%,延伸率大幅度提高,屈服强度有所下降。
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