高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金的构型化多模组织调控与强韧化机制研究

The mismatching of high strength and low ductility of the high-strength Mg-RE (RE: rare earth) alloys limits their industrial applications. In this project, the configuration design is firstly introduced to develop high-strength and ductile Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys. The layered structure forms by tailoring the multimodal microstructure consisting of long-period stacking ordered (LPSO) phases / γ'phases / dynamically recrystallized (DRXed) grains / hot worked grains, and the network structure forms by controlling the distribution of basal γ' phases / prismatic β' phases inside the Mg grains, so as to develop the Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys with combination of high strength and high ductility. Firstly, the distribution of the constituent of the multimodal microstructure will be tailored by adjusting the processing parameters of heat treatment, hot extrusion and aging treatment. The evolution mechanisms and the adjustment rules for the multimodal microstructure will be analyzed to realize the controllable fabrication of the alloys with desired microstructure. Then, the effect of the distribution of the constituents in the multimodal microstructure on the local strain distribution, and their effect on the deformation microstructure and fracture behavior will be analyzed, to clarify the strengthening and toughening mechanisms of the Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys. The finding of this project will provide a theoretic guide and experimental basis for the configuration design and fabrication of the high strength and ductile Mg alloys.

高强稀土镁合金的高强度和低塑性不匹配问题，限制了其工程应用推广。本项目首次将构型设计引入高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的开发，通过有效调控合金多模组织中长周期堆垛有序相/γ'相/再结晶晶粒/形变晶粒的层状分布，在晶粒内构建基面γ'相/柱面β'相的网状结构，研发兼具高强度高塑性的稀土镁合金。首先，通过调节热处理、热挤压及时效工艺参数，调控合金多模组织中各组元的分布，研究多模组织演变规律及调控机理，实现合金的可控制备；其次，研究多模组织中各组元对合金局域应变分布的影响规律，及其对合金形变微结构及断裂行为的影响规律，揭示Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的强韧化机制，为高强韧镁合金的构型设计和制备提供理论指导和试验依据。

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有低密度、高比强度和良好的阻尼性能，在汽车、航空航天等领域具有广阔的应用前景，然而稀土镁合金的强度与塑性呈现倒置关系，很难同时提高合金的强度与塑性。为此，本项目通过构型设计调控合金多模组织中长周期堆垛有序相/γ'相/再结晶晶粒/形变晶粒的层状分布，开发了兼具高强度与高塑性的Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金。揭示了多模组织的演变规律及调控机理，并阐明了其强韧化机制，为形变镁合金的构型设计和组织性能调控提供理论指导和试验依据。受本项目资助，培养研究生3人，国内外学术交流12次，发表论文7篇，申请国家发明专利2项。. 首先，研究了均匀化热处理、挤压变形工艺以及时效处理对合金多模组织中各组元的影响规律，阐明了多模组织在制备过程中的演变规律，成功制备了超高强高韧 Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金，阐明了合金的强韧化机制，建立了制备工艺参数-多模组织-力学性能之间的关系。. 其次，研究了合金在原位拉伸变形过程中的局域应变分布，分析了多模组织中各组元对高强Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在塑性变形过程中的局域应变分布、形变微结构的影响规律。揭示了多模组织对塑性变形行为的影响规律。. 最后，研究了合金在原位拉伸变形过程中的断裂行为，分析了具有多模组织的高强Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的断裂机理并建立了强韧化模型。