Mg-3Y合金的微观组织调控与性能研究

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镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度等特点,在交通运输、3C产品、医疗、航天航空等领域有着广阔的应用前景。大量研究表明,稀土元素在合金化中作用很明显,且经过塑性加工后,能显著改善镁合金的力学性能和耐腐蚀性能,成形工艺对合金的微观组织和性能具有重要影响,但是目前缺乏成形工艺及参数、合金组织和性能之间映射关系的系统研究。本课题以Mg-3Y合金为研究对象,制备出铸态、均匀化、挤压态、轧制态和轧后退火态的试验合金。采用光学电子显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等表征手段对合金微观组织和相组成进行观测和分析;利用拉伸设备对合金的力学性能进行测试;利用电化学实验和浸泡实验对合金的耐腐蚀性能进行测试。对不同工艺下试验合金的测试结果进行全面定量分析,研究合金“工艺-组织-性能”之间的映射关系,以探寻合金综合性能最佳的工艺参数。主要研究结果如下:(1)微观组织观测结果分析:不同工艺下Mg-3Y合金主要由α-Mg相和少量的第二相Mg24Y5组成。铸态及后续均匀化处理的合金平均晶粒尺寸较大,分别为553μm和591μm左右。经热挤压变形后,合金发生了完全动态再结晶,平均晶粒尺寸大幅降低到约7.8μm,较铸态合金降幅为98%。轧制后,组织中出现大量变形孪晶且晶粒沿着轧制方向被拉成长条状,平均晶粒尺寸增大到约77.17μm。退火后,合金平均晶粒尺寸均有不同程度的降低。250℃退火后的与轧制态相差不大;经300℃退火后,组织中产生细小的再结晶晶粒,合金平均晶粒尺寸约15.78μm,较铸态合金降幅为97%;经350℃退火后,合金发生了完全静态再结晶,平均晶粒尺寸降低到约8.78μm;进一步提高退火温度到400℃,再结晶晶粒快速长大,平均晶粒尺寸增大到21.56μm。(2)力学性能测试结果分析:铸态合金经均匀化处理后力学性能有所改善。经热挤压后,合金的抗拉强度大幅提升到201 MPa,较铸态合金增幅为121%;延伸率急剧增大到28.7%,增幅为222%,说明热挤压能显著提高合金的力学性能,归因于合金发生了完全动态再结晶,大量细小的再结晶晶粒均匀地分布在基体上。轧制后,合金存在明显的加工硬化现象。在退火过程中,合金的抗拉强度随温度的升高而逐渐降低,延伸率呈现先升高后降低的趋势。合金在300℃退火后的力学性能是最佳,其抗拉强度为222 MPa,较铸态合金增大了144%,延伸率为15.75%,提高了77%。归因于混晶组织的作用,粗大的变形晶粒储存大量位错,提高合金加工硬化能力;晶粒尺寸极小的再结晶晶粒协调应变,提高合金塑性。(3)耐腐蚀性能测试结果分析:均匀化处理后,合金的耐腐蚀性能明显改善,热挤压处理后进一步提高。退火前轧制态合金的耐腐蚀性能较差,退火后得到改善。随着退火温度的升高,合金的耐腐蚀性能展现先增大后减小再增大的规律,在300℃退火温度下是最佳的,较铸态合金变化幅度最大。其自腐蚀电流密度降低了71%,达到8.91μA cm-2;自腐蚀电位达到-1.55V;电荷转移电阻增加了78%,达到1153Ω,;膜电阻增加了187%,达到1036Ω;腐蚀失重速率降低了99.6%,达到0.3289mg·cm-2·d-1。(4)综合性能分析:根据合金的微观组织、力学性能及耐腐蚀性能测试结果分析,建立合金“工艺-组织-综合性能”的映射关系,可以判定不同工艺处理后的Mg-3Y合金中,300℃退火后的合金具有最佳的综合性能。
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