稀土合金化镁合金的凝固行为与组织控制

稀土强化是提高镁合金耐热及力学性能的重要途径，然而稀土元素引入导致合金凝固过程形核、生长，特别是分凝特性发生变化，引出一系列凝固控制问题。本项目拟以具有潜在应用前景的Mg-（Gd、Y、Nd）-x(Zr、Zn)系高强耐热镁合金为研究对象，重点研究Y、Gd、Nd等稀土元素对镁合金凝固形核、分凝、偏析的影响，揭示稀土元素对合金凝固组织形态的影响机理，探索合金偏析、凝固组织形态控制新方法，为稀土强化高性能耐热镁合金的应用奠定坚实的理论基础。本项目将采用多元合金溶质分凝热力学模型，分析稀土元素的分凝及相互影响，并与实验相结合研究合金元素在晶界的微观偏析。并采用多元合金的非均质形核模型，计算分析稀土元素对过冷度、初生相与次生相形成和选择析出的影响。结合快速液淬方法实验,研究稀土元素对镁合金凝固过程中α枝晶与次生相形核、生长形貌及组织形态分布的影响。

以Mg-Zn-Gd和Mg-Nd-Gd系镁合金为对象，研究Gd、Nd等稀土元素对镁合金凝固形核、分凝、偏析的影响，揭示稀土元素对合金凝固组织形态的影响机理，探索合金偏析、凝固组织形态控制新方法。主要进展如下：.(1) 利用Miedema模型计算分析了Mg-Nd、Mg-Gd和Mg-Zn二元熔体的混合热、过剩熵及过剩自由能等热力学性质，根据热力学原理计算了Mg在不同温度二元熔体中的活度值。依据热力学因子与扩散系数的关系，预测了Mg-Zn-Gd合金的溶质扩散系数。.(2) 采用活度法、浓度法和固液相线斜率法建模计算了Mg-Zn-Gd系和Mg-Nd-Gd系合金的溶质平衡分凝系数，分析了Gd、Nd元素单独或复合添加对合金溶质分凝特性的影响规律。.(3) 提出修正的Yokoyama自扩散系数硬球模型，结合热力学熵模型，计算确定了Mg、Zn、Nd和Gd等纯金属的液态自扩散系数、粘度和表面能。并通过严格的数学推导，建立了液态多元合金溶质扩散系数计算模型，计算确定了Mg-Zn-Gd系和Mg-Nd-Gd系合金的溶质扩散系数。 .(4) 热力学计算方法和实验方法相结合，首次开展了Mg-5.5Zn-x(0, 0.8, 2.0) Gd和Mg-1.5Gd-x(0, 2, 3)Nd三元镁合金在不同生长条件下的定向凝固组织变化和相析出特性研究，探索了Gd、Nd元素单独或复合添加对镁合金分凝、偏析和凝固组织的作用。 .(5) 以Mg-5.5Zn-2Gd合金为对象，实验研究了不同冷却速率下合金的自由凝固组织和相析出行为。运用修正Rappaz模型，耦合Thermo-Calc相图计算软件，计算研究了不同冷却速率下实验合金的自由凝固路径选择问题，为工业镁合金的实际铸造凝固路径预测提供了方法论指导。.(6) 以纯Mg金属、Mg-0.003Zn和Mg-0.003Gd合金为对象，采用相场法模拟了其等温凝固过程中的枝晶生长行为，探讨了低量合金化元素Gd和Zn对纯金属Mg等温枝晶生长行为的影响。并采用CAFÉ(宏观-微观元胞自动机模型)法模拟了Mg-1.5Gd合金在不同生长条件下的定向凝固过程。.(7) 综合运用项目研究成果，设计了2种成分的新型高性能稀土铸造镁合金，优化确定了其热处理强化工艺，探清了其铸态、固溶态和T6态组织结构，测试证明其力学性能和高温抗蠕变性能分别全面优于现有的ZM6和ZM1镁合金。