基于织构/第二相粒子协同机制的高强高塑Mg-Gd-Y合金板材蛇形轧制机理

Due to its low density and high strength property, Mg-Gd-Y alloy has promising application in aerospace industry. However, its poor room temperature ductility is always the bottleneck of engineering application. This project aims to fabricate Mg-Gd-Y alloy plate with high strength and high ductility. The strength and ductility are expected to be enhanced by both controlling the texture through snake rolling which brings strong shear deformation and considering effects of second phase particle. First, the single crystal will be fabricated by the method of cyclic deformation and annealing, and the snake rolling finite element model which considers multi-slip and twinning will be established basing on deformation experiments of the single crystal with different orientations. Then, we will design the sampling direction and thermal treatment schedules to realize different combination of crystal orientation and second phase particle states. Based on the mechanical property testing and microstructure analysis, the influence mechanism of crystal orientation and the second phase particle on mechanical property will be revealed, and the model of crystal orientation and the second phase particle affecting mechanical property of the alloy will be established. The target texture with high strength and high ductility will then be determined. Finally, the texture evolution rule affected by snake rolling will be revealed through combining finite element modeling and experimental verification. The snake rolling and thermal treatment processes for realizing the target texture will be explored. The results are expected to provide experimental basis and theoretical guidance for high strength and high ductility component fabrication.

Mg-Gd-Y合金具有密度低、强度高等优点，在航天领域具有广阔的应用前景,但室温塑性差的缺点一直是限制其工程化应用的瓶颈。本项目以制备高强高塑Mg-Gd-Y合金板材为目标，采用蛇形轧制引入强剪切变形控制板材织构，并考虑合金中第二相粒子对强塑性的影响，协同提高合金的强度和塑性。首先，采用循环变形/退火的方法制备合金单晶，并基于不同取向单晶的塑性变形实验，构建考虑多系滑移/孪生的蛇形轧制有限元模型。然后，通过设计取样方向及热处理制度，实现不同晶体取向和第二相粒子状态的组合；结合力学性能测试及组织分析，揭示晶体取向/第二相粒子对力学性能的影响机理，建立晶体取向/第二相粒子协同影响合金力学性能的关系模型，确立高强高塑目标织构。最后，采用有限元模拟和实验验证，揭示蛇形轧制过程中板材织构的演化规律，探明实现目标织构的蛇形轧制和热处理工艺。研究结果可为高强高塑构件的制备提供实验依据和理论指导。

Mg-Gd-Y合金具有密度低、强度高等优点，在航天领域具有广阔的应用前景,但室温塑性差的缺点一直是限制其工程化应用的瓶颈。针对这一难题，本项目首先探明了时效析出相对合金室温强度、塑性和断裂行为的影响规律，并分析了其影响合金室温塑性的机理；然后，研究了不同初始取向、不同析出相类型对合金室温强度、塑性和断裂行为的影响规律；再结合宽温域内的高温塑性变形实验，探明了合金在高温塑性变形过程中的微观组织演变规律和力学行为，探明了适宜的塑性变形条件，为合金的蛇形轧制奠定了基础；最后，开展了不同异速比条件下的蛇形轧制实验，分析了蛇形轧制对合金微观组织和力学性能的影响规律。主要获得了如下结果：析出相存在条件下合金更容易发生脆性断裂，导致合金塑性降低，且断口中存在大量孪生的痕迹，而在无时效析出相存在的样品中，合金更倾向于发生韧性断裂；理论计算表明，时效析出相所引起的基面滑移系的临界分切应力增量为139MPa，拉伸孪生的临界分切应力增量为29MPa，压缩孪生的临界分切应力增量为22MPa，基面滑移临界分切应力的增量远高锥面孪生的临界分切应力增量，据此提出了析出相通过改变基面滑移和锥面孪生临界分切应力相对大小从而增加孪生几率进而导致合金断裂、降低塑性的学术观点；针对初始取向和析出相协同作用下对合金室温力学性能影响的研究表明，在相同时效析出相存在的条件下，通过调控合金的织构，可实现合金力学性能的调控；结合高温塑性变形和蛇形轧制的研究表明，通过蛇形轧制引入剪切变形，可调控合金的织构，实现合金板材强度和塑性的提升。本项目的开展，加深了对Mg-Gd-Y合金微观组织与力学性能关系的认识，提出的蛇形轧制技术，为高强度高塑性轧制板材的制备提供了一种新的方法。项目执行期间，共发表论文14篇，申请发明专利3项，获授权实用新型专利2项。