Mg-Zn-Y合金凝固过程热裂行为及微观机制研究

Comparing with Mg-Al-Zn serial alloys, Mg-Zn-Y serial alloys have shown apparent deforming and age hardening,which has become a new hot research topic with the deep development potential. In view of the fact, that the most previous research is on the mechanical behavior of the alloy in the absence of deep understanding the solidification hot tearing tendency, the wide application of the alloy is greatly limited. Therefore, this project will be based on Clyne-Davies model and introduce a "mush area" critical parameters to forecast hot tearing susceptibility of the alloys with different Zn/Y ratio, different (Zn, Y) content. Hot cracking behavior and crack volume will be tested by using a hot cracking sensitivity detection system with the gas protective casting device, the magnesium oxide foam ceramic filter and the acquisition to the solidification temperature, time, shrinkage stress in order to verify the theoretical prediction value. DSC, TEM, SEM/EDXS and other means are also adopted in this project to reveal the influence micro mechanism of the dendrite formation, I, W or LPSO phase precipitation, crack initiation, crack filling, liquid film formation, and the grain bridge at the grain boundary in the process of solidification. The research results will provide theoretical guidance for the composition optimization of Mg-Zn-Y alloy, but also reference basis for its great ingot preparation.

相对于应用普遍的Mg-Al-Zn系合金，Mg-Zn-Y系合金显示出更为突出的变形和时效强化效果，成为新的研究热点。可是，合金力学性能并非是衡量其可用性的唯一尺度。鉴于以往研究多针对其力学行为，对凝固过程热裂敏感性缺乏了解，限制了该系合金的广泛应用。为此，本项目基于Clyne-Davies理论模型，引入“泥区”临界参数，对不同Zn/Y比，不同（Zn、Y）含量合金的热裂敏感性进行预测，并采用带有气体保护浇注，氧化镁泡沫陶瓷过滤，可同时采集到凝固温度、时间、收缩应力的热裂敏感性检测系统对热裂行为及热裂纹体积进行测试，以此对理论预测值进行验证。本项目还采用DSC、TEM、SEM/EDXS等手段，揭示合金凝固过程中枝晶形成， I、W 或LPSO相析出，以及对晶界上裂纹萌生、裂纹填充、液膜形成、搭桥等微观机制的影响。研究结果将为Mg-Zn-Y合金成分优化提供理论指导，也为其大规格锭坯制备提供参考依据。

相对于应用普遍的Mg-Al-Zn系合金，Mg-Zn-Y系合金力学性能的潜力更大，显示出广阔的应用前景，成为新的研究热点。可是，鉴于以往研究主要针对镁合金力学行为，对其凝固过程热裂敏感性缺乏了解。鉴于铸造是合金成形应用的必经环节，热裂敏感性高低经常成为限制其实际应用的瓶颈。为此，本项目针对Mg-Al-Zn系合金热裂及其微观机制开展研究，系统测试和评估了Mg-1Zn-xY、Mg-2.5Zn-xY、Mg-4.5Zn-xY、Mg-6.5Zn-xY、Mg-9Zn-xY (x = 1, 2, 4, 6 wt.%)等合金的热裂敏感性，成分范围覆盖了含有I相、（I+W）相、（W+LPSO）相、LPSO相的镁合金，为该系合金的开发和应用选择提供了基础数据。此外，本项目还发明了一种新型镁合金热裂测试装置和热裂评定方法，通过引入凝固特征参数解决了多元系镁合金热裂敏感性热力学理论计算的不足，很好地架构了凝固特征参数与热裂敏感性之间的内在联系。为了揭示其微观行为，还采用OM、SEM/EDXS、XRD、EBSD、TEM等手段，探索合金凝固过程中枝晶干涉生长下的液膜形成、残余液相对裂纹的填充，I、W或LPSO相析出的桥接机制，特别是对LPSO相的析出行为、组织形态、结构特征进行了细致的研究，提出了具有与α-Mg的共格结构是其“桥接”效果更为明显的主要原因。本项目还通过添加Zr、Al、Ti等细化元素，探讨了α-Mg晶粒细化及等轴化对晶间补缩通道形成，以至热裂敏感性的影响。本项目研究结果将为Mg-Zn-Y合金成分优化提供理论指导，也为其大规格锭坯制备提供参考。目前，以本项目为主要技术内容的“高性能低热裂倾向铸造镁合金及其致密成型与轻量化技术”经中国有色金属工业协会组织的技术评价为：在镁合金铸造领域处于国际领先，项目成果已在多个企业得到应用，取得了显著的经济和社会效益，获得省部级科学技术奖二等奖2项，三等奖1项。