Mg-Zn-RE(Ce,Nd)系镁合金强化相析出过程与强化机制的研究

Mg-Zn-Ce system and Mg-Zn-Nd system have abundant strengthening phases, and the toughening of the alloys can be improved by the addition of Ce and Nd. So, the application potential of the alloys of the two systems are promising. The project will identify the precipitation process and strengthening mechanisms of strenghening phases in the two ternary magnesium alloy systems. The solidification process and the solidifying phases of the Mg-Zn-Ce system and Mg-Zn-Nd system in the Mg-rich corner will be studied, and the crystal structure of the phases (lattice parameters, space group and atom sites in crystal lattice) should be identified. In order to accertain the reasonable strengthening phases, the project will study the thermodynamic data and mechanical property data of the intermetallic phases by using methods of thermodynamic calculation and first-principles calculation. Further more, the relationships between the precipitation kinetics and the components of Mg-Zn-RE(Ce, Nd) alloys will be studied . This project will investigate the ageing process of the two ternary systems' alloys, and identify the character of the precipitation phases during the ageing process. Then,the impact of types (primary phases, precipitates), the stage(coherence-semi coherence-incoherence), the morphology (disc shaped, rod shaped et al) and the distribution (in grains, along grain boundaries) of the second phases on the strengthening, toughening of the alloys will be comfirmed. This work will provide a reliable guidance for the design of high property magnesium alloy and the establishment of crafts such as heat treatment.

Mg-Zn-Ce与Mg-Zn-Nd镁合金系具有丰富的强化相，Ce与Nd能够有效提高合金塑变形能力，是非常具有应用潜力的合金系。本项目拟以相平衡及其析出转变为基础，以合金元素固溶度特征为依据，明确这两种镁合金系强化相的析出过程及强化机理。本项目将研究这两个镁合金系的凝固过程及凝固相，确定凝固过程出现的合金相的晶体结构特征（晶格参数、空间群及晶胞原子占位）；利用热力学计算与第一原理计算的方法研究平衡相、凝固相的热力学参数与力学性质参数，确定具有较好强化效果的合金相；研究Mg-Zn-RE（Ce, Nd）系镁合金析出转变动力学与成分的关系；研究这两种合金系合金的时效析出过程，明确时效析出相的形成特征；研究第二相种类（初生相、沉淀相）、状态（共格－半共格－非共格）、形貌（球状、杆状等）与分布（晶粒内部、晶界）对合金强韧性能的影响机制。从而为高性能稀土镁合金的合金设计及热处理等工艺的制定提供可靠依据。

本项目分别通过合金法和扩散偶法，研究了Mg-Zn-Ce系和Mg-Zn-Nd系富镁侧相关系及化合物特征及合金相的结构特征及热力学特征。以Mg-Zn-Ce合金为基础研究了合金时效过程及时效强化规律；通过热轧组织分析，研究了Mg-Zn-Ce和Mg-Zn-Nd系合金的动态再结晶规律；并研究了不同状态下Mg-Zn-Ce（Nd）合金力学性能特征。得到研究成果如下：利用合金法明确了在Mg-Zn-Ce系中的化合物T1（Mg61Zn37Ce2）为亚稳相，可以从液相中直接析出，但在340℃将通过Mg7Zn3+T1→MgZn+T反应生成稳定的T相（Mg，Zn）11Ce。利用扩散偶法明确了Mg-Zn-Nd系与Mg存在两相平衡的三元化合物T2相及T3相。通过压缩实验研究发现，当Mg-Zn-Nd系合金中的三元化合物T3相与T2相共同出现时，合金具有较好的力学性能。Mg-Zn-Ce及Mg-Zn-Nd镁合金400℃热轧实验发现，经在400℃进行经多道次热轧后，合金能够发生完全动态再结晶，达到晶粒细化效果；且经过热轧后合金的析出物破碎，弥散分布在晶内。因此与铸态及单道次热轧合金相比，多道次热轧后合金的硬度最好。拉伸实验结果表明，在Mg-Zn-Ce该合金体系中，Mg-2.0Zn-0.2Ce合金具有最好的综合力学性能，屈服强度和抗拉强度分别为283MPa与331MPa，延伸率为16.6%。这是再结晶较完全、T相和T相的弥散分布综合作用的结果。对铸态Mg-Zn-Ce合金在190℃进行了1~100h时效处理发现，随着Zn含量的增加，合金的时效效果逐渐明显。在所制备的Mg-Zn-Ce合金中，Mg-6.0Zn-0.2Ce具有较好的时效强化效果。通过透射电镜分析发现，合金中存在两种形态的第二相析出：杆状的β'1相和盘状的β'2相，这两相随着时效时间的增加而增多和长大。在190℃×8h时达到峰时效，此时硬度值为93.27HV。