超声和流变成形下镁合金中LPSO结构细化机理及其组织调控

The LPSO structure reinforced Mg alloys have become a research hotspot in the field of Mg alloys with high strength and ductility in recent years, because of their excellent mechanical properties. However, these second LPSO phases, precipitating at the end of solidification, usually concentrate and distributed unevenly at the grain boundaries with a coarse three-dimensional network structure, which seriously deteriorates their strengthening effect. How to refine the LPSO structures and control their morphology and distribution, becomes a key problem in the field of LPSO structure reinforced Mg alloys. Therefore, this project proposed a new technique of making semisolid slurry of LPSO structure reinforced Mg alloys with ultrasonic vibration, and then forming the slurry by rheocasting. This technique makes full use of the ultrasonic refinement and the rapid cooling rate by rheocasting to regulate the morphology and distribution of the LPSO structure, so that the properties of Mg alloys parts could be improved comprehensively. We will study the effects of ultrasonic field and rheocasting on the mechanisms of nucleation thermodynamics and growth dynamics of the LPSO phase, and establish a theoretical crystal growth model for the LPSO phase, to reveal the refinement mechanism of the LPSO phase. The regulation principle of morphology, distribution and volume fraction of the LPSO will been obtained by further studying the microstructure evolution rule of the LPSO structure under ultrasonic vibration and rheocasting. Meanwhile, the relationship between the microstructure and mechanical properties of the semi-solid Mg alloy will be also established. This project will lay the theoretical foundation for manufacturing LPSO reinforced Mg alloy parts with high performance.

LPSO结构增强镁合金以其优异的力学性能成为近年来高强韧镁合金研究的热点。然而，凝固末期析出的二次相LPSO呈粗大的立体网状结构，分布很不均匀，严重影响其强化效果，如何细化LPSO 结构并控制其形态和分布，成为LPSO结构增强镁合金领域迫切需要解决的关键问题。本项目提出针对LPSO结构增强镁合金的超声制浆及其流变成形的技术方法，综合利用超声对二次相的细化作用和流变成形较快的冷却速度，对LPSO结构的形态和分布进行调控，从而大幅提高镁合金零件的力学性能。通过深入研究超声场和流变成形对LPSO结构的形核热力学及生长动力学影响机制，并建立相应的晶体生长理论模型，揭示LPSO结构的细化机理；进而研究超声制浆和流变成形下半固态镁合金组织的演变规律，获得LPSO结构的形态、分布及体积分数的调控原则，同时，建立起半固态镁合金组织与力学性能的关系，为LPSO结构增强镁合金零件的高性能化制造奠定理论基础。

LPSO结构增强镁合金作为一种新型高强镁合金在航空航天、交通、通讯领域具有广阔的应用前景。铸态下LPSO结构容易偏聚在晶界，严重影响其强化作用。本项目采用超声制浆和流变挤压铸造相结合的方法来细化LPSO结构并使其均匀分布，主要针对Mg-Ni-Y和Mg-Zn-Y两类合金进行超声制浆和流变成形。系统研究了合金元素的含量、超声制浆时间、流变成形压力等主要参数对合金组织和性能的影响规律；研究了超声对晶体生长形态的影响，建立了超声场作用下晶粒生长前沿的溶质场和温度场以及晶粒的生长模型；揭示了超声和流变挤压铸造下LPSO结构的细化机理，获得了LPSO结构的形态、分布以及体积分数的调控原则，实现了LPSO结构的大幅细化和均匀分布，合金的综合性能大幅提升。主要获得了以下重要结果：1）当Ni/Y原子比为1:2时，Mg-Ni-Y合金中生成的LPSO结构含量最高，合金的综合力学性能最佳；在合金中加入少量Al元素会形成放射状的Al2NiY相，同时减少LPSO结构的体积分数，并降低合金的性能；以Gd部分或全部取代Mg-Ni-Y合金中的Y元素，不仅可以促进LPSO结构的形成还可提高LPSO结构的稳定性和合金的力学性能。2）超声和流变挤压铸造能大幅细化Mg-Ni-Y和Mg-Y-Zn合金中的初生α-Mg晶粒、使LPSO的厚度变小、促进YZn3相（Mg-Y-Zn合金）和MgNi4Y相（Mg-Ni-Y合金）的析出，但不影响合金的相组成、不能打破LPSO结构的网状形态，铸态下LPSO相仍为18R结构。3）超声和挤压流变成形细化LPSO相是通过细化基体组织、提高浆料冷却速度来实现的，其细化效果取决于基体组织的细化程度；超声能促进熔体非均匀形核，减小晶体凝固前沿的成分过冷，从而改变晶粒的生长形态。4）利用功率在1200W以上的超声对熔体处理40~60s所获得的半固态浆料在100MPa以上的挤压压力下流变成形，可实现LPSO结构的大幅细化和均匀化调控。5）提高LPSO结构的含量能提高合金的强度但会降低合金的塑性，LPSO结构的体积分数控制在20%左右时，Mg-Ni-Y和Mg-Y-Zn合金兼具优良的强度和塑性。本项目研究成果可为新型高强韧镁合金及其制备成形一体化新技术的开发提供重要的理论指导和技术支持。