含微量Zr的Mg-Zn基合金的时效析出行为及强化机制

Mg-Zn based magnesium alloys are typical commercial materials of solid solution strengthening and age hardening effects. However, the further application and development of such alloys has been greatly limited due to the low number density, coarse size and inhomogeneous dispersion of the age-hardening precipitates. Zr is a common alloying element for magnesium alloys, but most of studies and applications focused on its grain refinement effect. In this project, the controlling of the aging precipitation behavior of Mg-Zn based alloys by microalloying Zr, the fourth element and adjusting the solution treatment process will be studied. A unique method to enhance the number density and homogeneity of the main strengthening precipitates and thus the age-hardening effect of Mg-Zn based alloys is proposed. The effects and mechanism of the solutionization and aging precipitation behavior of Mg-Zn based alloys modified by trace Zr will be investigated by advanced material analysis techniques. The crystallography, chemical composition, precipitation characteristic and microstructure evolution of the Zr-rich phases will be explored. The effective ways to control the precipitation of the dominant age-hardening phases and the strengthening mechanism of Mg-Zn based alloys will be studied. This project aims to provide a significant theoretical basis for the development and application of light-weight high-strength magnesium alloys.

Mg-Zn基镁合金具有固溶强化和时效强化双重效应，是目前典型的一类商用镁合金材料。然而，Mg-Zn基合金的时效析出强化相普遍存在析出密度较低、尺寸粗大且分布不均匀等缺点，大大限制了该系列合金的应用范围和发展空间。Zr是镁合金中常见的一种合金化元素，但大部分研究和应用都只集中在细化合金晶粒方面。本项目选择Mg-Zn基合金为研究对象，通过添加微量Zr和第四组元以及改变固溶处理工艺来调控合金的时效析出行为，提出一条以富Zr相为异质形核中心来提高合金时效强化相的析出密度和分布均匀性，从而提高合金时效强化效应的新思路和新途径。采用先进的材料分析技术重点研究微量Zr对Mg-Zn基合金固溶和时效析出行为的影响规律及微观机制，探明富Zr相的结构成分信息、析出特性及其组织演变过程，探索Mg-Zn基合金中主要时效强化相的有效调控手段及强化机制，为高强度轻质镁合金的开发与应用提供重要的理论指导和技术支撑。

针对Mg-Zn基合金中时效析出强化相存在析出密度较低、尺寸粗大且分布不均匀等缺点，本项目通过采用添加微合金化元素Cu和Zr以及调整热处理工艺等手段调控Mg-Zn基合金的时效析出行为，以获得理想的时效强化效果。利用先进的材料分析技术获得了不同热处理状态下合金中析出相的形貌、尺寸、分布、结构、位向等晶体学信息以及微区成分和元素分布信息，结合力学性能测试结果，重点揭示了微合金化元素Cu、Zr及热处理工艺对Mg-Zn基合金的时效行为、显微组织及力学性能的影响规律及微观机制。.微合金化元素Cu和热处理对Mg-Zn基合金的显微组织和力学性能有明显影响。Cu既可提高合金中主要强化相的析出密度和组织均匀性，又能延缓过时效进程。当Cu含量为0.5%时综合力学性能最佳，峰时效态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为266.3 MPa、185.6 MPa和16.7%，特别是塑性指标延伸率增加明显。铸态合金因组织粗大且不均匀，力学性能较差。经固溶+时效处理后，基体中析出大量弥散、共格的强化相，合金的强度和塑性都显著提高。.微合金化元素Zr对Mg-Zn基合金的时效析出行为有明显的影响。Zr不仅能细化晶粒，而且可使合金在固溶处理过程中形成四方结构的富Zr相(δ-Zn2Zr3)。根据形态和晶体学特征，这些富Zr相可分为四类，相互之间具有明显的关联性。本研究的一个重要发现是，这些在固溶处理中形成的富Zr相（Zn-Zr相），可在后续时效过程中发生分解，同时为合金的主要强化相（Mg-Zn相）提供有效的异质形核中心。采用HRTEM、STEM、3DAP等技术详细表征了合金的组织演变过程，在固溶态合金中的富Zr区(即固溶时析出δ相的区域)的析出序列为：δ-Zn2Zr3 → β1′-MgZn2 → β2′-MgZn2 → β-MgZn，或者δ-Zn2Zr3 → β1′-MgZn2 → β-MgZn。而在贫Zr区(即固溶时未析出δ相的区域)的析出序列为： SSSS → GP区→ β1′-MgZn2 → (β1′-Mg4Zn7和/或β2′-MgZn2) → β-MgZn。 .本项目的研究成果对了解含Zr的Mg-Zn基合金的完整时效析出行为和进行Mg-Zn基合金的时效强化调控与设计具有重要的理论和实用意义，可为高强度轻质镁合金的开发与应用提供重要的理论指导和技术支撑。