部分高强耐热稀土镁合金体系的相关系及其凝固组织分析

【摘要】摘要：镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料,具有比重轻、比强度和比刚度高、良好的电磁屏蔽能力、阻尼减震性好、易切削加工性和可再生利用性等优异性能,在汽车、航空航天及电子产品等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景,被誉为“21世纪绿色工程材料”。然而,镁合金室温强度不高、高温强度低、抗蠕变性能差等缺点,严重阻碍了镁合金的应用。稀土加入镁合金中能够提高其力学性能、抗蠕变性能及耐腐蚀性能等,Mg-Zn合金中添加稀土元素会显著改善合金的力学性能和耐热性。本文结合国家自然科学基金项目(No.50731002)：新型镁合金结构材料相图与合金化研究,通过实验测定和相图计算(CALPHAD)方法,对Mg-Ce-Gd-La-Nd-Pr-Sm-Zn多元系中部分二元、三元系的相关系进行了研究,根据所建立的热力学数据库模拟了典型Mg-Zn-RE合金凝固过程中的组织演变,为镁合金的设计提供理论依据,主要研究工作如下：(1)采用合金法,通过X-射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电子探针显微分析(EPMA)等检测分析手段,测定了Mg-Zn-Gd三元系673K富镁角的等温截面。实验证实了存在三元相X相(14H长程有序结构)、W相(面心立方结构)和I相(二十面体准晶结构),检测到三个两相区：(Mg)+X、(Mg)+W、(Mg)+I;四个三相区：(Mg)+X+Mg5Gd、(Mg)+X+W、(Mg)+W+I、L+(Mg)+I。其中Mg5Gd相、W和I相都有一定溶解度范围。结合实验结果和文献信息,运用CALPHAD方法优化计算了Gd-Zn二元系和Mg-Zn-Gd三元系,其中液相采用替换溶液模型,有序相BCC_B2与无序相BCC_A2采用了同一个吉布斯自由能表达式,以处理BCC_B2与BCCA2之间的有序无序转变关系。计算结果与实验数据吻合。(2)采用同(1)实验方法测定了Mg-Gd-Nd三元系673K富镁角的等温截面。实验检测到三元相p,检测到两个三相区：(Mg)+Mg41Nd5+βMg5Gd+Mg41Nd5+β;两个两相区：(Mg)+Mg5Gd、(Mg)+Mg41Nd5。二元化合物Mg5Gd、Mg41Nd5有较大的溶解度范围。结合实验结果和文献信息,运用CALPHAD方法优化计算了Gd-Nd二元系和Gd-Mg-Nd三元系。计算结果与实验信息吻合。(3)结合实验信息,选择合理的热力学模型,采用CALPHAD方法优化计算了Mg-Zn-La、Mg-Zn-Ce、Mg-Zn-Nd、Mg-Zn-Pr和Mg-Zn-Sm三元系,其中所有有序相BCC_B2与无序相BCC_A2都采用了同一个吉布斯自由能表达式来处理BCC_B2和BCC_A2之间的有序无序转变。每一个三元合金体系都得到一套自洽的热力学参数。(4)建立了Mg-Ce-Gd-La-Nd-Pr-Sm-Zn多元系的热力学数据库,可应用于稀土镁合金的成分和热处理工艺设计。(5)采用扫描电子显微镜和X-射线衍射分析等检测分析手段,观察了几个典型的Mg-Zn-RE(RE=Ce、Nd、Gd和Sm),Mg-Gd-Nd合金的铸态组织。采用所建立的热力学数据库,模拟了这些合金的平衡凝固和Scheil凝固过程,并与实验观察到的相关合金铸态微观组织进行了对比分析,合理地解释了实验合金在凝固过程中的组织演化过程。
【作者】戚海英；
【导师】金展鹏；刘立斌；
【作者基本信息】中南大学，材料学，2014，博士
【关键词】Mg-Zn-RE；相图；CALPHAD；凝固模拟；合金设计；

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