稀土镁合金中LPSO结构在高温变形过程中的栅栏效应研究

In recent years, a novel long period stacking ordered structure (LPSO structure) was found in Mg-RE-Zn alloys, which raised the attention of researchers all over the world immediately. Our studies shown, Mg-RE alloys containing LPSO structure exhibit excellent mechanical properties at elevated temperature. Although its strengthening mechanism has not been elucidated, it can be confirmed that LPSO structure plays a significant role in plastic deformation at elevated temperature. It is found the interface between barrier-liked LPSO structure and α-Mg matrix is fully coherent, and LPSO structure could restrict non-basal dislocation mobility at elevated temperatures.It is worthy of further study that the effect of barrier-liked LPSO structure on grain boundary, dislocation and twin during elevated temperature deformation process, and whether it is like a"barrier" to restrict dislocation mobility in α-Mg matrix. By controlling the alloy composition and fabrication process, heat treatment process (including solution treatment and aging treatment) and thermal deformation, the microstructure evolution of Mg-RE-Zn alloys will be systematically studied, as well as the formation mechanism, morphology, distribution and volume fraction of LPSO structure and RE strengthening phase. Based on our research, the alloy composition and fabrication process will be optimized.

长周期堆垛有序结构（LPSO结构）是镁合金中近年来新发现的一种新型增强结构。前期研究发现，增加了LPSO结构的Mg-RE-Zn（RE=Gd，Y）合金具有优异的高温力学性能，虽然其高温强化机制尚未阐明，但是可认为位于α-Mg基体中的栅栏状LPSO结构在合金高温变形过程中起到了显著的强化作用。课题组对LPSO结构的研究发现，其和α-Mg基体的主要界面（即原子密排面）完全共格，并且对非基面位错运动有明显阻碍作用。这种栅栏状LPSO结构在合金高温变形过程中与基体中的位错、孪晶间的作用机制，是否是像"栅栏"一样牢牢的阻碍位错在α-Mg基体中的运动均值得深入研究。基于对合金高温强化机制的研究，综合调控合金成分和热处理工艺、热加工方法和参数，获得对LPSO结构和稀土强化相有效调控的方法，探寻具有最佳性能的LPSO结构增强稀土镁合金制备方法及显微组织。

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有比重小、比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼性、切削加工性好、易回收等优点。近年来在Mg-RE-Zn合金中发现了一种新型的长周期堆垛有序结构（Long Period Stacking Ordered Structure，简称LPSO结构），初步研究证明，镁基体和其中的层片LPSO结构具有独特的完全共格界面，含有LPSO结构的镁稀土合金具有优异的常温和高温屈服强度、好的延伸率和高的应变速率超塑性。. 本课题以Mg-RE(-Zr)合金（RE=Gd,Y）为基础，通过添加Zn元素引入LPSO结构，制备了具有优良室温和高温力学性能的LPSO结构和稀土析出相复合强韧化Mg-RE-X合金（RE=Gd, Y，X=Zn, Zr）。调控Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列合金（简称GWZK合金）的凝固过程、热处理过程（包括固溶和时效过程）和合金成分（Gd元素和Zn元素的含量）并研究了合金在不同状态下（铸态、固溶T4态、铸造时效T6态、热挤压态及热挤压时效T5态）的显微组织演化规律。研究了14H-LPSO结构的精细结构及其与合金中的稀土析出相、(Mg,Zn)3RE相等其他相之间的关系；优化了Mg-Gd-Y-Zn-Zr系合金的合金成分和热处理工艺。经过热挤压等工艺所制备的GWZ1432K合金表现出了极高的强度和良好的塑形，抗拉强度达到480MPa，延伸率5.0%。对GWZK合金的复合强韧化机制进行了深入研究。当温度小于200℃时，Mg合金的主要塑性变形机制为基面滑移，GWZK合金的主要强化方式是时效强化，稀土析出相的含量对合金的强度有显著影响，14H-LPSO结构对合金强度影响不大，但是能够有效提高合金塑性。当温度大于200℃时，Mg合金的塑性变形机制转变为位错的基面滑移、非基面滑移、交滑移和位错攀移共同作用，GWZK合金中14H-LPSO结构起到了主要强化作用，14H-LPSO结构能够阻碍位错在非基面的运动，从而显著提高GWZK合金的高温力学性能。. 总之，本课题进一步揭示了LPSO结构和稀土析出相复合强化的Mg-Gd-Y-Zn-Zr（GWZK）系列合金的强韧化机理，为制备出超高强度的耐热镁合金提供了可行性，对应用于军事工业等高端领域的高性能结构镁合金材料的发展提供了新的技术思路。