Mg-Gd-Y-Nd-Zn-Zr合金中LPSO结构与β'相的演化与热处理微观组织调控研究

To solve the problem of ductility decreasing of Mg-Gd-Y-Nd-Zr alloy due to the precipitation of β' phase, zinc will be added to substitute yttrium to develop LPSO which can improve the strength and ductility simultaneously, and then heat treatment will be adopted to control the microstructure of LPSO and β' phase. The in-situ TEM and HAADF-STEM technique will be used for the observation of microstructure evolution of LPSO including solution, precipitation, and coarsening during heat treatment. The effects of morphology, size, volume fraction of LPSO and β' phase on the strength and ductility will also be investigated. The optimal parameters of LPSO and β' phase and heat treatment procedure will be obtained to achieve the control on LPSO and β' phase. Thus, the project will supply the theoretical and method foundation for the fabrication of high property Mg-RE-Zn alloy.

针对Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金中沉淀强化相β'的析出使塑性大幅降低的问题，以Zn替代部分Y元素，使Mg-Gd-Y-Nd-Zn-Zr合金基体中形成有利于提高强度、同时改善塑性的LPSO结构，并对LPSO结构与β'相采用热处理手段进行协调控制。采用原位TEM手段、HAADF-STEM方法观察分析LPSO结构在热处理过程中回溶、转化、析出和长大的的组织演化规律及转化机制，研究LPSO结构和β'在基体中的形貌、尺寸、体积分数等特征参数对合金的强度和塑性的影响规律，确定最佳的强化相参数与相应工艺，最终实现LPSO结构与β'相的协调控制，为高强韧Mg-RE-Zn系合金的制备提供理论基础和方法依据。

本项目设计了新型Mg-Gd-Y-Nd-Zn-Zr合金，使基体中同时析出沿基面的长周期堆垛有序（LPSO）结构和沿柱面的β′相，从而在EW75合金高强度基础上提高其塑性。采用高分辨透射电子显微分析（HRTEM）结合能谱（EDS），以及高角度环形暗场扫描透射技术（HAADF-STEM）等方法观察分析LPSO结构以及β′相的微观组织演化规律，并通过调整合金的热处理方式最终实现LPSO结构与β′相的协调控制。.研究结果表明铸态组织主要由共晶组织(Mg,Zn)3RE相，长周期LPSO结构相和富RE相组成。Nd元素的添加不利于LPSO结构在凝固过程中形成而促使更多的共晶组织(Mg,Zn)3RE偏聚于晶界上，此外含Nd合金中更易于14H-LPSO而不利于18R型的形成。经过525℃的单级均匀化处理，1Nd-1Zn和0Nd-1Zn合金中的共晶组织和LPSO结构可完全回溶入基体，而由于Zn与RE高温下的扩散规律不同，双级均匀化处理制度以及2Zn合金中都容易出现过烧和开裂失效。此合金体系的沉淀析出序列可以分为以棱柱面为惯习面的Mg-Gd型和以基面为惯习面的LPSO型两种类型，分别为：SSSS(h.c.p)→GP区→β′ (b.c.o，Mg7RE)→ β1(f.c.c.)→β(f.c.c.，Mg5RE)和SSSS(h.c.p)→亚稳层错堆垛结构→LPSO结构。峰时效合金中的主要强化相为β′，β1以及LPSO结构相，而β′/β1相对基体的时效硬化效应更显著，并且其热稳定性很高。此外，Nd元素的添加使得合金中迅速形成更多更细小的β′/β1相而显著强化，而0Nd-1Zn合金则需要很长时间达到相同的强化效果。.根据以上结果优选出1Nd-1Zn合金，并采用500℃/2h+240℃/18h的双级热处理制度，使合金在第一级高温预析出热处理中形成沿基面析出的LPSO结构并保留足够的固溶度，在第二级低温时效热处理析出沿棱柱面的β′相，最终实现LPSO结构与β′相的协调控制。