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作为21世纪轻质结构材料,镁合金凭借高比强度、比刚度、优异的阻尼性能和良好的电磁屏蔽等优点,在汽车、电子产品等领域具有广阔的应用前景。然而,常规铸造镁合金组织粗大,并且晶界处连续网状共晶相在高温下易粗化,导致合金强度和抗蠕变性能不够理想。晶粒细化可以有效地提高合金力学性能。稀土作为镁合金研制中最具使用价值的元素,不仅可以细化晶粒,增加合金强度,还能显著改善高温蠕变性能。近平衡凝固条件下,稀土在镁合金中易形成杆状相,对基体产生很强割裂作用,影响了合金力学性能的提高。亚快速凝固作为一种制备高性能新结构材料的重要技术,能够显著细化合金晶粒,消除杆状相结构,大幅度提高合金力学性能。因此,将稀土合金化与亚快速凝固有效结合,有望提高合金的高温强度及抗蠕变性能,为高性能镁合金的研发提供理论依据。本文采用铜模喷铸技术,在高真空感应熔炼炉内开展稀土元素参与下AZ91D镁合金的亚快速凝固,从而制备镁合金铸件。研究了稀土及亚快速凝固对AZ91D镁合金组织的细化效果,对比分析不同稀土及含量对晶粒尺寸、基体成分及相结构的影响。采用不同工艺参数对亚快速凝固合金进行热处理,研究固溶和时效时间对合金微观组织的变化,并分析固溶和时效过程中晶粒长大及沉淀相析出等热稳定性行为。在此基础上,研究了不同工艺条件对合金硬度及压缩强度的影响。晶粒细化实验结果表明,亚快速凝固能够显著细化AZ91D镁合金,平均晶粒尺寸由400μm下降到50μm,组织呈为细小等轴晶。当稀土元素(Er、Ce)的添加含量为0.75wt%时,平均晶粒尺寸为20μm,细小等轴晶变为粒状晶。此外,当稀土添加含量相同时,Ce对合金的细化效果比Er要好。在亚快速凝固条件下,稀土在镁合金中生成的杆状化合物(Al3Er、Al11Ce3)转变为细小的颗粒状。稀土对镁合金的细化机理主要是由于溶质富集引起的液/固界面前沿成分过冷促进了基体的均质形核,并且凝固过程中形成的稀土相阻碍了基体α-Mg的长大。热处理研究结果表明,420℃等温固溶时,亚快速凝固AZ91D-0.75wt%Er合金组织发生明显晶粒长大现象,随着固溶时间的增加,合金组织的热稳定性降低。然而亚快速凝固AZ91D-0.75wt%Ce合金在等温固溶时保持着细晶组织,表现出良好的热稳定性。由于细晶强化、弥散强化及固溶强化的共同作用,亚快速凝固合金的显微硬度和压缩断裂强度分别增加了49.2%和47.8%。随固溶时间延长,β-Mgl7Al12硬脆相的溶解和晶粒的长大导致AZ91D-0.75wt%Er合金的显微硬度不断下降。200℃等温时效时,β-Mg17Al12相及Mg-Er稀土相的析出,使得AZ91D-0.75wt%Er合金显微硬度随时效时间的增加而不断上升。