Mg-Gd系铸造镁合金蠕变行为及机制研究

Poor mechanical properties, especially poor creep resistance at high temperature are one of the main factors for restricting the industrial application of Mg-based alloys. In the present project, the most promising new high-strength and heat-resistant Mg-Gd binary alloy is chosen as basic material for the development of the high-temperature Mg alloy. Based on the study on the creep behavior at high temperature and creep mechanism of Mg-Gd binary alloy, the effect of the alloying elements such as Zn, Zr and Nd (single or/and combined addition) will be designed, which will introduce new phase and increase thermal stability. Using the advanced characterization technique, the relationship between the microstructure characterized by the grain size, the size of precipitated phase, the spacing between precipitates, the dislocation structure and dislocation configuration, etc and the creep parameters will be further explored for multi-component Mg alloy. The present project means to provide some novel scientific insight on the future development of Mg alloys, and to design novel creep-resistant Mg alloys through alloying and heat treatment, by controlling the formation of long period stacking ordered structure, the grain size, ageing precipitation behavior, as well as the morphology and distribution of the precipitate.

高温性能差、蠕变强度低是限制镁合金应用的主要因素之一，新型Mg-Gd系高强耐热镁合金可望填补这一空缺。本项目拟在深入研究Mg-Gd二元合金宏观高温蠕变行为及宏-微观关联的蠕变机制基础上，探索通过Zn、Zr、Nd等合金化元素单独或/和联合加入引入新相提高合金在高温的稳定性，及晶内、晶界抗蠕变强化机理；通过引入新的表征技术探索并建立合金蠕变过程中微观组织结构参量（晶粒尺寸、析出相尺寸及分布、位错结构和位错组态等）与蠕变表观激活能、材料常数及稳态蠕变速率间的关系模型与蠕变本构方程；在全面揭示多元交互作用下镁合金蠕变机理的基础上，提出通过低微合金化和热处理自主控制和设计长周期堆垛有序结构、晶粒尺寸和沉淀强化相，调控析出相的形态及分布，提高Mg-Gd系铸造镁合金抗蠕变性能的新方法。

Mg-Gd系合金有望克服镁合金高温性能差、蠕变强度低的缺点。项目系统研究了Mg-Gd二元合金不同温度和应力下的拉伸蠕变行为及蠕变机制，得到了蠕变过程晶粒形态和尺寸，第二相析出形貌、分布及生长粗化，位错结构和位错组态、晶界等微观组织演变规律。发现随着Gd量的增加，铸态Mg-Gd合金晶粒逐渐细化，拉伸强度增加，延伸率下降；T6态合金是适于在高温短时服役下的较优选择合金。铸态合金晶界和晶内形成更多的热稳定性好的Mg5Gd，位错塞积产生的应变硬化作用更明显，使高Gd量铸态Mg-Gd合金初始蠕变阶段的应变量和稳态蠕变速率明显减小。在235-300℃和50-90MPa下，随着蠕变温度和施加应力的增加，T6态Mg-15Gd合金的蠕变应变和蠕变速率增加；在蠕变过程中，α-Mg晶粒粗化，析出相的数量增加且尺寸粗化，析出相按β′→β1→β顺序转变；合金蠕变过程组织演变观察证明其蠕变机制为位错滑移；在小于235 ℃服役温度下T6态Mg-15Gd合金的抗蠕变性能较好，而大于260 ℃服役温度下T4态合金的抗蠕变性能较好，并揭示了其蠕变强化机理。铸态Mg-10Gd-0.4Zr合金的稳态蠕变阶段由位错攀移和位错滑移共同主导，首次发现在稳态蠕变阶段末期同时存在两种类型的PFZs。T6态Mg-10Gd-0.4Zr合金在260℃、低应力和高应力下分别呈现不同的稳态蠕变行为，在高应力条件下存在大量的交滑移位错及台阶状<c>位错，从而具有高的稳态蠕变速率。通过添加Zn元素引入的LPSO结构，可以使Mg-15Gd-1Zn 合金在高温下(＞285℃)表现出更优异的蠕变抗力。Nd元素部分代替Gd元素可以显著缩短Mg-Gd合金时效硬化的孕育期，提高峰值时效态硬度，Nd适度替代Gd是强化Mg-Gd系合金的有效途径。在以上研究的基础上，Nd、Zn和Zr元素复合添加设计了一种成本适中、性能优良的Mg-2.49Nd-1.82Gd-0.19Zn-0.4Zr铸造镁合金；建立了组织结构参量-激活能-材料常数-蠕变速率间的关系模型并提出蠕变本构方程；采用机器学习方法实现了Mg-Gd系合金抗蠕变性影响因素的相关度预测和宏观蠕变机制预测。