预制孪晶与第二相耦合增强ECAP制备超细晶Mg-Gd-Y合金的机理研究

Ultra-Fine Grain (UFG) structured Magnesium-rare earth (Mg-RE) alloys become attracting materials due to their excellent mechanical properties. Due to the limitation of the deformation conditions, it is difficult to obtain UFG structured Mg-RE alloys by the Equal Channel Angular Pressing (ECAP). In order to produce Mg-RE alloys with smaller grain size, the solid solution treated Mg-Gd-Y based alloys are used as the experimental material. The effect of ECAP on the microstructure refinement and homogenization of the Mg-RE alloys is improved via the coupled structure of the high-density tensile twins and the stable second-phase particles, which is produced by pre-compression and peak aging treatment. The SEM-EBSD, TKD and TEM techniques are performed to systematically investigate the effect of volume fraction of twins, the size of second-phase particles as well as the morphology and distribution, the volume fraction of the dynamic recrystallization and recovery grains and the texture of the produced Mg alloys. The interaction between the dislocations and the introduced interfaces via the fabrication of the coupled structure will be analyzed, as well as the effect of coupled structure on the deformation mechanism of the materials within the grains and at the grain boundaries during ECAP. The model for realizing grain refinement via coupled structure based dynamic recrystallization will be established, thus building a theoretical basis for producing Mg-Re alloys of high performance.

超细晶结构稀土镁合金材料展现出优越的力学性能，应用前景广泛。受变形条件限制，等通道转角挤压技术（ECAP）很难获得超细晶结构稀土镁合金材料。为进一步细化微观组织，提高材料的力学性能，本项目拟以Mg-Gd-Y系镁合金为研究对象，通过固溶处理、预压缩变形、时效处理的方法制备高密度预制孪晶与稳定析出第二相的耦合结构，提高ECAP对稀土镁合金材料微观组织细化的效率与程度，改善材料力学性能。利用SEM-EBSD、TKD、TEM等表征与分析技术，系统研究耦合结构中预制孪晶体积分数及第二相尺寸、形貌、分布与加工后材料的动态再结晶晶粒体积分数、晶粒尺寸、高角度晶界比例、织构强度之间的关系，深入分析耦合结构引入的界面与位错运动的交互作用，阐明在ECAP过程中耦合结构对材料晶内和晶界处塑性变形机制的影响，建立耦合结构调控动态再结晶实现组织细化的理论模型。该项目研究成果为制备高强韧超细晶稀土镁合金提供理论依据。

本项目通过既定的“微观组织设计-材料加工-微观组织演化-材料性能”的研究技术路线，以具有质量轻、强度高易产生变形孪晶的结构材料Mg-Gd-Y和钛合金为研究对象，通过预制孪晶/去孪晶、第二相析出、晶粒细化、晶界工程和织构控制等手段来进一步提升力学性能。运用轧制、等通道转角挤压（ECAP）等技术，结合多种先进的微观结构和力学表征分析手段，阐明了预制孪生和去孪生的机制，明晰了深冷条件下Mg-Gd系合金和纯钛合金塑性变形机制的转变，揭示了稀土镁合金ECAP加工中的细化机制，制备出了高强韧Mg-10Gd-3Y(GW103)与钛合金。主要的研究如下：（1）通过挤压-剪切（ES）加工手段制备高性能超细晶结构Mg-Gd-Y合金，通过晶粒细化和剪切织构调控，实现了稀土镁合金的强度与塑性的协同提高（GW103屈服强度300MPa，断后延伸率27.4%）；（2）通过连续等径转角挤压（RD-ECAP）技术制备高性能GW103合金，揭示了GW103合金的组织细化机理，总结了合金力学性能提高的原因；（3）研究了不同晶粒尺寸Mg-5Gd中激活丰富孪晶的手段，定量分析了Mg-5Gd在Gd添加抑制孪生情况下通过深冷轧制激活孪生的机理。（4）研究了深冷轧制工业纯钛(CP-Ti)激活丰富孪生的机理，其中包含4种常见的一次孪生和{11-22}-{10-12}二次孪生，通过实验揭示了550℃下孪生保持稳定，而650℃下退孪生迅速，且{10-12 } ETs在600℃更稳定，研究了预制孪生/退孪生过程中织构演变规律；（5）研究了晶粒尺寸和变形温度对CP-Ti力学性能的影响，揭示了深冷/室温条件下CP-Ti中孪生占主导的晶粒尺寸区间，通过参数拟合总结出了深冷条件下霍尔-佩奇修正关系。（6）通过多向锻造和热处理手段调控了TiAl特殊晶界分布，通过晶界工程调控材料力学性能。项目的成果为通过微观组织设计（晶粒细化、预制孪生/退孪生、织构控制）调控稀土镁合金、钛合金力学性能提供理论支撑。本项目发表高质量论文11篇，其中SCI论文10篇。培养博士生2名，硕士生4名，本科生14名，参加国内外本领域重要学术会议5次。本项目研究圆满完成了研究内容，解决了项目中关键科学和技术问题，达到了项目的预期目标。