Mg-Y-Zn-V合金复合变形工艺及其组织性能研究

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近年来镁合金由于其密度低、比强度高等特性在新能源领域及航空航天领域备受关注,但其室温及高温性能很难达到工业生产要求。大量研究表明,在镁合金中添加稀土元素形成的LPSO相可以很好的提高镁合金力学性能,同时,镁合金虽然在室温下塑性较差,但在一定的温度下可以进行大塑性变形来提升其室温性能,所以通过设计合理的变形工艺,研究LPSO相在变形过程中的演变及其对镁合金的微观组织及力学性能的影响有一定研究意义。本文在Mg-Y-Zn-V系合金中加入微量元素V,通过异质形核质点的作用,在凝固过程中起到了细化晶粒的作用,并采用一系列热处理及变形工艺相结合的方式,探索Mg-Zn-Y-V合金的组织演变和力学性能变化规律。本研究采用普通铸造方法制备了Mg-Y-Zn-V基础合金,然后进行一系列不同工艺的热处理,并从中选出最优的Mg-Y-Zn-V合金进行锻造、挤压和轧制变形,通过光学显微镜(OM)、扫描显微镜(SEM)、X射线能谱仪(XRD)以及电子背散射衍射(EBSD)技术表征了合金微观组织,结合拉伸试验所得性能研究合金微观结构对其性能的影响,得出了以下结论:(1)热处理:改变热处理时间和冷却方式不影响合金组成成分,仍然是由LPSO相、W相和基体α-Mg组成,但W相由原来的镂空网状变为颗粒状,LPSO相由原来的铸态连续网状变为块状、杆状和层片状三种形态,其中弥散分布的块状18R-LPSO相对性能的提高程度最高。当在500℃,24h固溶处理后,通过水冷得到的合金性能最佳,极限抗拉强度为190 MPa,屈服强度为129 MPa,伸长率为18.4%。(2)锻造和正挤压处理:固溶处理Mg-Y-Zn-V合金在预热后,W相纳米颗粒在14H-LPSO结构上析出。在经过锻造处理后,18R-LPSO相从块状变为了纤维状,且位错和SFs的交叉缠结给第二相的析出提供了形核点,进一步促进了晶内W纳米的析出,合金性能提高至屈服强度为221 MPa、极限抗拉强度为276 MPa、伸长率为11.5%。然后合金进一步进行正挤压变形,当挤压比为16:1,挤压温度为350℃,挤压速度为1mm/s时,得到的合金平均晶粒尺寸最小,平均约为1.7μm,力学性能达到最高,屈服强度为345 MPa,极限抗拉强度为375 MPa,伸长率为16.1%。通过锻挤复合变形工艺,Mg-Y-Zn-V合金受到交叉应力的作用,锻态合金中较强的纤维织构得到弱化,转变为正挤压后合金中的{0001}基面,近似平行于剪切面的织构,而且得到了更为细小的18RLPSO相,与动态析出的W相纳米颗粒协同增强合金力学性能。(3)锻造和轧制处理:随着轧制变形量的逐渐增加,交叉应力的逐级递增,Mg-YZn-V合金晶粒尺寸逐渐减小,W相更加弥散分布,LPSO相由原来被拉长的纤维状变为小块状和短棒状。经过逐级轧制后,Mg-Y-Zn-V晶粒细化更多的是因为随着应力的叠加,在某些晶粒内部产生了亚结构,容易使得位错塞积,从而使得位错密度增大,产生了加工硬化的效果,与动态析出的W相纳米颗粒协同增强合金力学性能,在变形量达到60%时强度达到最大,屈服强度为350 MPa,极限抗拉强度为385 MPa,相对于锻态Mg-YZn-V合金分别提升了35%和16%,但变形量对塑性的影响呈相反趋势,延伸率从14.5%降低为11%。
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