稀土和钙协同作用下Mg-Zn-Al系镁合金微观组织演变与力学行为的相关性研究

The heat resistance and castability are the key issues for the wide application of magnesium alloys developed at high temperature situation, which have attracted much attention in the scientific community. Our previous research indicates that the addition of rare earth can reduce the hot cracking susceptibility of Mg-Zn-Al based alloys and result in the formation of high thermal stable RE-containing intermetallic phase. The further optimization of alloy design via controlling the secondary phase and improving the phase stability of matrix is promising to pursue high performance heat resistant magnesium alloy. In this project, the synergetic effect of Ce-riched mischmetal and calcium is proposed to modify the solidification behavior, the phase composition and the microstructural stability of Mg-Zn-Al based alloys. As a result, two types of Mg-Zn-Al-RE-Ca based alloys with typical microstructural characteristics and heat resistance can be obtained. The varation of hot crack susceptibility with various alloying combinations will be investigated in these two types of typical alloys, and the controllability of hot cracking by the synergetic effect of rare earth and calcium will be clarified; The correlation between the solidification microstructure characteristics, the types of secondary phase, the solute segregation，the precipitates, the microstructural stability and the mechanical behavior will be concerned, in attempt to reveal the realization mechanisms of high strength at elevated temperature and high creep resistance. The outcomes in this project will provide a robust theoretical and technological basis for the development of high performance heat resistant magnesium alloy.

耐热性能和铸造性能是制约现有镁合金在高温场合下应用的关键问题，已引起了科学界的广泛关注。我们在前期研究中发现，稀土可以降低Mg-Zn-Al耐热合金的热裂，同时形成高热稳定性的稀土相，通过进一步优化合金设计、控制凝固第二相的种类及基体的热稳定性，有望研发出新型高性能的耐热镁合金。本项目旨在采用富铈混合稀土和钙协同作用调控Mg-Zn-Al合金的凝固行为、相组成及组织热稳定性，获得两类典型微观组织特征和耐热性能的合金，深入研究不同合金化因素作用下两类合金热裂敏感性的变化规律，阐明稀土和钙协同作用降低Mg-Zn-Al合金热裂的可行性；弄清楚凝固组织特征、相组成、溶质偏聚、析出相和组织热稳定与力学行为的相关性，揭示高热强性和高抗蠕变性能的实现机制，为新型耐热镁合金的设计和研发奠定基础。

耐热性能不足是制约镁合金在高温场合下应用的主要障碍，已引起了研究人员的高度关注。对于传统的Mg-Al-Mn和Mg-Al-Zn合金，组织中形成的低热稳定性Mg-Al和Mg-Zn-Al第二相是导致其耐热性能差的主要原因。为此，本项目提出通过稀土和钙的合金化作用以提高Mg-Zn-Al合金的组织热稳定性及高温力学性能，重点研究了稀土和钙作用下具有不同Zn、Al含量的Mg-Zn-Al-RE-Ca合金凝固组织特征、相组成、组织热稳定性及力学性能。主要研究结果如下：.金属型铸造Mg-Zn-Al-Ca合金主要由C15-Al2Ca、C36-(Al, Zn)2(Mg, Ca)和Ca2Mg6Zn3相组成。随着Zn含量的降低，Ca2Mg6Zn3和C15 Laves相逐渐转变为C36结构Laves相。对于Mg-Zn-Al-RE-Ca合金，稀土的存在使合金凝固过程中优先形成Al2REZn2或Al11RE3 相，且稀土相的种类受Zn和Al配比的影响。通过控制Zn、Al元素的含量，同时添加较高含量的RE和Ca可以抑制Mg-Al等低熔点共晶相的形成，从而提高镁合金的耐热性能。.铸造Mg-Zn-Al-RE-Ca合金的组织热稳定性受合金化程度的影响。经175℃保温30天热处理后，富稀土相和富Ca相均表现出较高的热稳定性。而对于高Zn低Ca的合金，基体的热稳定性较差，热处理后有大量的第二相析出。研究结果表明，通过控制适当的合金化元素配比，Mg-Zn-Al-RE-Ca铸造合金可以获得极高的组织热稳定性。.本项目制备和评价了具有典型组织特征的四种合金在压铸条件下的铸造缺陷、组织特征及长时间组织热稳定性。研究发现，四种压铸合金均未观察到有明显的热裂纹，RE和Ca分别以Al11RE3、C36和Ca2Mg6Zn3形式存在，组织中Mg-Al等低熔点共晶相被完全抑制。经长时间热处理后，部分压铸合金基体内几乎无析出相形成，显示出较高的组织热稳定性。.本项目揭示了Mg-Zn-Al-RE-Ca多元体系合金的凝固特征、相组成、微观组织演变的基本规律、组织热稳定性，以及组织与力学性能的关系。项目的研究成果可以为设计和制备新型耐热镁合金提供重要的实验依据和理论基础。此外，本项目探索研究了Mg-Zn-Al-RE-Ca变形镁合金制备工艺及性能，初步结果显示该体系合金是潜在的有待研发的低成本高强韧变形镁合金。