多相复合强韧化镁合金沉淀析出行为的研究

In this project, Mg-7Gd-5Y-xZn-0.5Zr alloy will be prepared with the addition of transition metal Zn on the basis of EW75 alloy. Two-stage solution followed by aging treatments will be carried out to realize the co-precipitation of long-period stacking order (LPSO) structures and β′ phases to improve the toughness on the basis of the high strength of EW75 alloy. In this study, atomic-scale HAADF-STEM, high spatial resolution STEM-EDS and high resolution in-situ TEM will be used. The variation of precipitation sequence with composition and aging temperature and its nature will be studied. The formation, growth and transformation process of precipitates for LPSO structures and β′ serials and the mechanism will be clarified. The morphology, crystal structure and composition of solute clusters at the early stage of aging, GP zones, peak aging strengthening phase β′ and LPSO will be studied. This study will provide experimental basis for Mg-Gd-Y-Zn alloy to achieve the best overall performance through microstructure control, meanwhile, provide reference for the development of new high performance magnesium alloy with multi-phase strengthening and toughening.

本项目在EW75合金基础上，添加过渡族金属Zn，制备Mg-7Gd-5Y-xZn-0.5Zr合金，旨在通过双级固溶及时效处理，实现沿基面长周期堆垛有序（LPSO）结构和柱面Mg-Gd序列（以β′为主）析出相共同析出，从而在EW75合金的高强度基础上，提高塑性。本项目采用原子分辨水平HAADF-STEM技术、高空间分辨率STEM-EDS结合高分辨原位TEM技术，研究合金沉淀析出序列随成分和时效温度的变化规律及发生的动力学条件；阐明对应LPSO和β′相的两个转变序列各阶段析出物的形成、生长和转变过程及机制；确定时效初期溶质原子团簇、GP区，峰时效β′及LPSO结构的形貌、晶体结构及成分等晶体学特征。本项目的研究工作将为Mg-Gd-Y-Zn合金通过组织调控实现最佳综合性能提供实验依据和理论指导，同时为新型多相强韧化高性能镁合金的开发提供借鉴经验。

本项目在VW75合金基础上，添加过渡族金属Zn，制备Mg-Gd-Y(-Nd)-Zn系合金，旨在通过热处理工艺优化，实现沿基面长周期堆垛有序（LPSO）结构和沿柱面β-序列析出相共同析出，进一步提高合金的综合力学性能。通过热处理工艺优化，本项目确定了均匀化+双级时效的热处理工艺方法，实现了两个沉淀析出序列的共沉淀析出。采用原子乃至亚埃分辨水平的 HAADF-STEM 技术结合高空间分辨率EDS-STEM技术，重点开展了合金在不同时效温度下时效析出行为的研究。取得的重要结果如下：①通过440~500℃的第一级预时效，可实现LPSO相沿{0001}α基面析出。②通过200~240℃的第二级时效可实现β-序列析出相沿{11-20}α柱面析出，经长时间时效未发生向β序列稳定相的转变。③LPSO相可阻碍β序列析出相沿<0001>α的生长。④第二级时效析出序列为：过饱和固溶体→溶质原子团簇→之字形GP区+β′′(I)→β′→β′+突出物/连接体→pre-β1→β1→β。⑤在第二级时效早期，β序列析出相主要为由单个或多个富RE/Zn原子柱构成的短程有序溶质原子团簇，随时效时间延长，向超六角环和之字形GP区转变。β′可直接由之字形GP区转变而来。⑥突出物/连接体在β′相末端或β′之间应力应变集中位置处形成，具有Z字列、超六角环、β′F、β′′(II)、βT和混合结构，在长大的过程中起类似催化剂的作用。⑦在第二级时效过时效态，在链状析出相的缩颈处出现更加富集溶质原子的β1相。β1相实质上由在α-Mg结构基础上通过RE/Zn原子替代和迁移形成的具有四点钻石结构的pre-β1转化而来。⑧经200℃/2000h时效处理，析出相仍以β′与β1为主，只是进一步粗化，数量密度减少。随着β′相的粗化，链状析出相可形成闭环分布形态，形成机制符合Ostwald熟化机制。⑨Zn元素不仅参与LPSO相的形成，也参与β序列析出相的形成。⑩晶界、晶界块状LPSO相及晶内片层状LPSO相均对动态再结晶的发生有促进作用，形核位置的优先级依次为晶界、块状LPSO相界面、片层状LPSO相界面。综上，通过该项目的研究工作，为复杂Mg-RE-Zn系合金通过组织调控实现最佳综合性能提供了实验依据和理论指导，也为其他新型多相强韧化高性能稀土镁合金的开发提供了借鉴经验。