摘要
镁合金密度低、比强度高，在航天航空、生物医用及交通运输等行业有广阔的应用前景。近年来Mg-Al-Sn-Ca合金由于高强塑性和热稳定性等优异性能得到了广泛的关注。然而，Mg-Al-Sn-Ca合金在铸造过程中极易形成粗大的高熔点CaMgSn共晶相，常规热处理难以将其回溶。因而，在后续变形过程中极易引发应力集中，甚至割裂基体，不仅损害合金的力学性能，而且严重降低合金的成材率。 微合金化与亚快速凝固可以有效调控凝固行为并细化凝固组织。此外，在固溶处理过程中引入预变形可以增加第二相回溶驱动力，有利于在后续热加工变形过程中提高合金成形能力，促进弥散纳米析出相形成。因此，本文以Mg-4.5Al-1.5Sn-0.5Ca（wt.%）系合金为研究对象，在微合金化的基础上，采用亚快速凝固技术，结合预变形辅助梯度固溶处理工艺，不仅有效细化了α-Mg基体晶粒，而且促使粗大CaMgSn共晶相细化并球化；通过多向控轧与退火处理，探究了不同元素微合金化对变形微观组织演化及力学性能的影响，最终开发出所需的新型高性能Mg-Al-Sn-Ca基镁合金。主要结论如下： （1）与常规凝固相比，亚快速凝固可以缩短合金凝固时间，提高合金的固溶度，细化晶粒组织，并显著碎化共晶CaMgSn相；当单一微合金化0.1wt.%的Ce元素后，Ce溶质原子富集抑制了CaMgSn长大，导致CaMgSn共晶相尺寸有所细化、且体积分数减小；当同时加入0.2wt.%的Mn元素和0.05wt.%的Ce元素后，Mn与杂质结合净化了镁合金熔体，形成了Al8Mn5相，结合亚快速凝固工艺和微量Ce元素对共晶CaMgSn相的细化作用，铸态Mg-4.5Al-1.5Sn-0.5Ca-0.2Mn-0.05Ce合金获得了突出室温拉伸力学性能，其屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为~107MPa、~236MPa和~18.8%。 （2）预变形辅助梯度固溶工艺可以有效钝化甚至球化合金中粗大的共晶CaMgSn相，且与常规凝固相比，亚快速凝固与预变形辅助梯度固溶工艺结合对合金中CaMgSn相的钝化、球化效果更好；Ce单一微合金化使样品出现Al11Ce3相与CaMgSn相依附的现象，证明CaMgSn相上富集的Ce元素会与Al元素结合，析出Al11Ce3相，且此现象不受凝固冷速的影响；Mn-Ce/Sm/Sr复合微合金化的样品出现了Al-Mn(-Ce/Sm)相和Mg-Sr相，且上述第二相也存在与CaMgSn相依附的现象。 （3）多向控轧与退火工艺可以显著细化合金中的晶粒与第二相，提升合金的力学性能；与Mn单一微合金化相比，Mn-Ce/Sm/Sr复合微合金化对性能提升的优势更加明显，其中Mn-Ce微合金化后，材料综合力学性能较高，在室温下沿RD拉伸的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别为~239.4MPa、~298.4MPa和~20.7%，强度的增加主要与晶界强化和位错强化有关，延伸率的增加可归因于晶粒取向对基面滑移的促进作用；Mn-Sr微合金化后材料趋于室温拉伸各向同性，其沿不同方向屈服强度的差值仅为4.9MPa，断裂延伸率差值仅有1.1%。根据Schmid准则分析，0.05wt.%Sr微合金化减小了拉伸方向对基面滑移开启的影响。
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