镁合金层状有序相中的原子尺度下位错构型和状态以及与蠕变机制关系的研究

本项目旨在揭示层状有序结构强化镁合金的高温蠕变机制，探索优化合金力学性能的途径，为耐热抗蠕变镁合金的研发和应用奠定理论基础。含长周期堆垛有序相(LPSO)的镁合金，其高温强度远优于AZ等系镁合金，具有很大的应用潜力。LPSO同时具有结构和化学有序，研究其内部及Mg/LPSO界面区域的位错特性和行为是揭示LPSO强化机制的关键。本项目拟利用高空间分辩率和Z衬度成像及EELS等电子显微学技术，从LPSO相中位错的精细结构出发，为解析LPSO强化机制提供原子尺度的直接证据，探索其中位错的行为和影响因素，阐明LPSO结构影响镁合金力学性能，尤其是抗高温蠕变的机制，为耐热镁合金的成分和组织设计奠定技术基础。预期本项目的成果也将丰富复杂有序结构高温蠕变的相关理论。

开发具有优异抗蠕变性能的耐热镁合金是轻合金的重要研究内容之一。长周期强化的Mg-TM-RE合金不仅室温强度高，而且在200℃条件下，其强度也不显著下降，表现出优异的高温力学性能。本研究以长周期强化的Mg97Zn1Y2合金为代表，研究了在70MPa拉应力下合金在150℃至300℃温度区间的拉伸蠕变行为。当蠕变温度为150℃时，加载100小时后，样品仍不发生蠕变变形；当温度升高到200℃和250℃时，100小时蠕变应变仅分别为0.01%和0.26%；只有当温度高达300℃时，样品才发生明显的蠕变变形。可见，长周期强化的Mg97Zn1Y2合金具有优异的抗高温蠕变能力。为了揭示该合金优异的抗蠕变机理，我们利用先进电子显微学对材料的显微结构进行了深入研究。发现在250℃以下，虽然长周期相内的基面滑移系能够开动，但位错数量很少，因此长周期强化相的塑性变形量基本可以忽略。还观察到长周期相中位错的运动总是伴随有局域化学成分的调整（如：形成科垂耳气团或贫Zn、Y的纳米尺度微区），即发生了位错运动与合金元素扩散的耦合交互作用，这能够阻碍位错的运动。在200℃以下，Mg基体内主要开动基面滑移（“a”位错）；随着温度升高，锥面滑移开动（“a+c”位错）。像差校正高分辨Z衬度研究发现，“a”位错和“a+c”位错都能够在基面分解，形成层错，而且Zn和Y会偏聚到层错上，形成铃木气团。铃木气团的形成使得基面分解位错滑移的临界分剪应力高达26.5MPa，故能极大地增加基面滑移的阻力。另外，铃木气团也可以象GP区一样阻碍其它位错的运动。Mg基体中的生长层错不仅能够阻碍“a+c位错”滑移，而且能够防止合金在较低应力下通过形变孪生的方式塑性变形。因此，长周期强化相、科垂耳气团、铃木气团和Mg基体中的生长层错等都能够在高温条件下提高材料塑性变形所需的流变应力，起到强化材料的作用，从而在保障合金优异的抗高温蠕变性能方面发挥重要作用。本研究的结果对耐热镁合金的研发与应用具有一定的理论指导意义。