准晶强化Mg-Zn-RE系镁合金的热力学基础研究

The core of this project is to realize the accurate judgment on the thermal stability of the quasicrystals in the Mg-Zn-RE(RE=Gd, Nd, Y) alloys reinforced by quasicrystalline particles. Whether the quasicrystals are determined to be thermostable or metastable at the experimental temperatures, it is the key progress for understanding the quasicrystals. The major research work includes: determining the existent temperature range and the compositions of the thermostable quasicrystals in the Mg-Zn-RE systems; determining the structure variation of the quasicrystals with the temperatures and compositions; accurate determining the solubility variation of the quasicrystals in Mg-based solid solution with the temperatures; determining the equilibrium relationships of Mg-based solid solution and the related phases in the Mg-rich corner of the Mg-Zn-RE systems. The research methods include: transmission electron diffraction analysis, high resolution transmission electron microscopy observation and electron probe microanalysis of the equilibrated alloys, combined with the diffusion-couple technology. Through the above research, the alloying of magnesium alloys will be developed further, the scientific basis for microstructure design of two-phase magnesium alloys reinforced by quasicrystal will be established. Research and development of the quasicrystal-reinforced magnesium alloys with excellent mechanical properties will be built on the scientific basis of composition design, microstructure controlling and processing optimization.

本项目的核心内容是实现对Mg-Zn-RE(RE=Gd, Nd, Y)系准晶强化合金中准晶相的热力学稳定性判定。在研究温度下无论最终确定准晶相为稳定态还是亚稳态，都是一个关键性的认识进步。研究内容主要包括：确定Mg-Zn-RE系准晶相稳定存在的温度区间和成分范围；确定准晶相结构随温度和成分的变化规律；精确测定准晶相在Mg基固溶体中溶解度及随温度的变化；确定富Mg角中与Mg基固溶体相关的相平衡关系等。研究方法主要包括：平衡组织的透射电子衍射结构分析、高分辨电子显微像观察，合金平衡组织微区成分分析与扩散偶-电子探针分析的精确对比等。通过上述研究进一步推进Mg基合金化的发展，建立准晶强化双相Mg合金组织学的科学基础。使力学性能更加优异的准晶强化Mg合金的研究与开发，建立在有自主知识产权，有充分科学根据的成分、组织、工艺制度的基础之上。

本项目通过扩散偶法和合金平衡组织结构分析法、以及热分析，确定了Mg-Zn-RE (RE=Gd，Nd，Y)系二十面体准晶的热力学稳定性，明确了准晶稳态存在温度区间、成分范围以及准晶结构特征的变化规律；获得了Mg-Zn-RE(RE=Gd，Nd，Y)系富Mg角中镁基固溶体与准晶等三元金属间化合物的相平衡关系以及Mg基固溶体中的溶解度；并通过热力学优化获得了Mg-Zn-RE合金系完整、合理的热力学数据；确定了具有不同组织的Mg-Zn-RE合金在不同变形速率下的变形行为，可为镁基合金设计提供有力的理论支撑。主要研究成果包括：.Mg-Zn-RE(Y，Gd)系在普通冷速下就可以获得与Mg基固溶体共存的二十面体准晶I相。准晶I相还可与液相平衡共存；而且平衡态准晶的透射电子衍射谱呈现出更完美的5次对称，表明从铸态到平衡态二十面体准晶的晶体结构生长得更完整。可见准晶相是热力学稳定相，而并非亚稳相。但在Mg-Zn-Nd系，以Mg基固溶体为基的铸态合金中不能获得二十面体准晶相；而且在各温度下，二十面体准晶相也不能与Mg基固溶体平衡共存。.Mg-Zn-RE(Y，Gd)系中，335℃时镁基固溶体(Mg)与三元化合物Z、H、W和X以及二十面体准晶I之间处于固态相平衡。随着RE/Zn比增大，依次存在着三相区(Mg)+Mg7Zn3+Z、(Mg)+Z+I、(Mg)+I+H、(Mg)+H+W、(Mg)+W+X。.400℃时，起至Mg-Zn边二元系的液相向三元系延伸，富Mg角存在着与液相相关的相平衡。Mg-Zn-Y系中三元化合物Z不再与镁基固溶体(Mg)平衡共存；400℃等温截面相图中存在着三相区(Mg)+Liq+I、(Mg)+I+H、(Mg)+H+W、(Mg)+W+X。400℃时，Mg-Zn-Gd系三元化合物Z仍可与镁基固溶体(Mg)平衡共存；Mg-Zn-Gd系富镁角等温截面相图中依次存在着三相区(Mg)+Liq+Z、(Mg)+Z+I、(Mg)+I+H、(Mg)+H+W、(Mg)+W+X。.Mg-Zn-Y系准晶相I和Mg基固溶体可以平衡共存至约446.8℃；而Mg-Zn-Gd系则为427.5℃。.450℃时，液相区进一步扩大，只有三元化合物W和X可与(Mg)平衡。.在Mg-Zn-(Y, Gd)系中包括准晶相在内的多种三元化合物都可与Mg基固溶体平衡共存，可为镁基强化合金成分设计提供更多可能。