摘要
镁及其合金具有低密度、高比强度和抗阻尼能力等特点，在汽车、航天等领域显示出广泛的应用前景。然而，传统的镁合金强度低，延展性差，在关键结构部件中使用较少。合金化是提高镁合金力学性能的有效途径。在各种镁合金中，Mg-Al-Zn系列合金因其良好的成形性和力学性能而受到广泛关注。 然而，高强度镁合金及超塑性镁合金的研究多集中在中高合金领域。中高合金主要通过固溶强化和沉淀强化来提高强度.此外，中高合金中高密度分散的第二相可以钉扎晶界，抑制晶粒长大，提高高温延伸率。然而，中高合金中容易形成粗大的第二相成为裂纹源导致提前断裂。因此，降低镁合金中合金元素含量是改善镁合金成形性和延展性的有效方法。 然而，AZ31等低合金Mg-Al-Zn系列合金由于第二相强化效果有限，难以通过常规制造方法获得高强度。因此，添加微量合金元素促进弥散第二相的形成是提高低合金强度的有效途径。Sn元素可以降低镁合金的堆垛层错能(SFE)并促进非基面滑移系的激活，从而提高镁合金的延展性；Ca元素已被证明可有效细化镁合金的凝固组织并改善室温和高温下的力学性能。Ca和Sn元素的复合添加有望镁合金性能的进一步提升，但容易形成粗大的CaMgSn损害合金力学性能。因此，合理控制Ca和Sn元素添加量及合金制备工艺是获得高性能镁合金的关键， 本文采用亚快速凝固技术结合单道次大压下量控轧，获得了兼具室温较佳强塑性结合及中低温超塑性的低合金含量Mg-Al-Zn-Ca-Sn合金体系，实现了短流程制备，节约工艺成本。本文系统地研究了微量Ca添加和凝固冷速对Mg-Al-Zn-Sn合金铸态及轧制态组织和力学性能的影响；此外，着重分析了合金混晶组织形成机制以及退火时间对合金组织演化的影响规律，主要结论如下： （1）凝固冷速对铸态合金晶粒尺寸、共晶相含量有显著影响：随着凝固冷速提高，铸态Mg-1Al-1Zn-0.2Sn-0.1Ca合金的晶粒尺寸由~199μm减小至~88μm，共晶相面积分数由~2.6%减少至~1.3%，这是由于高冷却速度打破了平衡凝固，基体捕获更多溶质原子抑制了共晶相的生成。 （2）凝固冷速对变形态和退火态合金析出相尺寸和种类有显著影响：相比于常规凝固，亚快速凝固合金轧制退火后的第二相细化，钉扎晶界作用明显，抑制退火过程中的晶粒长大，提高了合金的力学性能及热稳定性。这是由于亚快速凝固使较多的溶质原子固溶在基体中，因此在后续的塑性变形过程中较易析出。 （3）Ca含量不同会显著影响铸态合金组织中共晶相的种类与数量；在亚快速凝固过程中，根据原子电负性差异，Ca原子优先与Sn原子形成CaMgSn相，然后与Mg、Al和Zn原子形成MgAlZnCa相；剩余的Ca原子和Al原子形成Al2Ca相。随着Ca含量提高，共晶相面积分数由~1.3%增加至~1.9%。 （4）Ca含量不同会显著影响变形态合金热稳定性，进而影响合金力学性能；随着Ca含量提高，合金内析出CaMgSn纳米相面积分数由0.2%增加到0.7%，纳米相通过钉扎作用稳定晶界及静态再结晶过程，抑制晶粒长大，提高合金的热稳定性，维持多尺度非均匀组织，有助于提高室温和高温下的延展性。 （5）基于液固协同调控（调控液态金属凝固冷速和固态轧制变形）的思路，开发了制备高性能新型Mg-1Al-1Zn-0.2Sn-xCa合金的短流程工艺：亚快速凝固+单道次大压下量轧制+低温去应力退火。分析了合金室温强化机制；并解释了合金超塑性行为是拉伸初期粗晶粒内的连续动态再结晶（CDRX）和拉伸后期再结晶晶粒间晶界滑移的协同作用。
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