摘要
近年来，作为重要的轻量化材料，镁合金受到了越来越广泛的关注，在航空航天、国防军工及汽车工业等领域的应用前景十分广阔。以Y、Gd等重稀土原子作为主要合金化元素的镁稀土合金（Mg-RE），由于具有较强的时效硬化特性而表现出良好的性能。而航空航天等领域的关键零部件除了要求材料密度低及室温下较高的强度与塑性外，还要求其高温抗蠕变性能优良。但室温下强度和塑性往往要求材料的晶粒组织较为细小，而高温下往往粗晶组织表现出更佳的蠕变抗力。此外，基于镁稀土合金铸造性能好、变形时的各向异性差异小等特性开发了一系列的新型合金系以满足多种材料制备技术，包括常规的铸造体系合金、变形系列合金以及增材制造用合金等。由于镁稀土合金为时效硬化型材料，采用上述技术制备的镁稀土合金零部件均需通过高温固溶及后续的低温时效热处理以实现其强度的有效提升。在实际热处理过程中，为了兼顾零部件不同位置的形状与尺寸差异形成的传热差异，往往会造成局部晶粒尺寸的异常长大，造成该局部位置在服役时的提前失效。 为了解决上述问题，本文作者认为一种可行的解决思路是：对镁稀土合金的晶粒实现有效细化，同时使这种细化效果能在高温热处理后得到保持，即使其具有良好的晶界热稳定性。以实现镁稀土合金在具有良好的室温强度和塑性的基础上获得较好的高温性能，尤其是长时间服役的蠕变性能。新近的研究发现，在镁稀土合金中添加纯铝通过原位自生形成Al2RE颗粒，可实现对镁合金有效的晶粒细化，同时，由于Al的添加有效降低镁合金的层错能，从而在晶内引入层错结构，对阻碍晶粒生长有利。 基于此，本文以Mg-Y二元合金为基础，首先，分别采用常规铸造、热挤压变形及激光熔凝等三种手段制备出以原位自生的Al2Y颗粒和传统Mg-Zr中间合金进行细化的Mg-Y合金（以下简称WA、WK合金）。其次，通过多种表征和分析方法研究在不同的制备方法及热处理条件下的微观组织演变规律，并对各状态下材料的硬度、拉伸性能、蠕变性能等力学性能进行测试。在此基础上，研究了不同晶粒细化方法下的Mg-Y合金的晶界热稳定性及其热稳定性机理，探讨了不同热稳定性的Mg-Y合金在室温及高温力学性能方面的差异及其影响因素，并揭示了晶粒细化方法对Mg-Y合金的蠕变变形机理的影响。 首先，系统研究了Al2Y含量、晶粒细化方式及制备方法等对Mg-Y合金晶界热稳定性的影响。发现当Al2Y含量高于0.3at.%且环境温度在550℃及570℃时，WA合金具有较好的晶界热稳定性；而相同条件下的WK合金并不具有晶界热稳定性。热挤压加工和激光熔凝处理对WA及WK合金微观组织具有明显的细化效果，热稳定性研究表明两种工艺制备的WA合金仍具有更好的晶界热稳定性。通过分析发现，WA合金中对晶粒热稳定性起主要贡献的为LPSO相，且其钉扎效果优于Al2Y和Zr颗粒。对硬度与微观组织的对比分析表明，WA合金中随着Al2Y含量的增加，晶界强化对强度的贡献逐步弱化。 其次，研究了热处理对WA及WK合金组织及室温和高温性能的影响。优化获得了较为适宜的固溶和时效处理参数。固溶处理参数方面，WK为490℃×12h的单级固溶，而WA为520℃×12h+570℃×6h的双级固溶。选择T4态合金进行570℃×48h热稳定性处理作为T4B态作为对比组。时效硬化响应方面，随着时效处理温度从225℃逐渐增加至300℃，峰时效态硬度逐渐降低、峰时效出现时间逐步缩短。以225℃下两合金的峰时效态为优化的时效制度，此时Mg-2.4Y-0.4Al2Y与Mg-2.4Y-0.1Zr的时效硬化响应接近。T4态合金室温下，含量为0.4at.%Al2Y的WA合金性能最佳；经过T4B处理后在室温下，WA合金断后伸长率上升，WK合金性能大幅下降，甚至低于铸态。T4态及T4B态合金在高温下，相较于室温，合金强度下降，断后伸长率上升。T6态合金的合金强度显著上升，断后伸长率大幅下降。相同Y溶质原子含量的WA合金性能明显高于WK合金。综合分析，WK合金较差的热稳定性严重影响其热稳定处理后的力学性能，而WA合金受此影响较弱。 最后，对比研究了WA及WK合金在T4态及T6态的高温蠕变行为。结果发现，在变量唯一的情况下，稳态蠕变速率随应力或温度的增加而增加。低温（≤250℃）下，T4态WA合金的稳态蠕变速率均优于WK合金；高温（300℃）时，WK合金优于WA合金。当合金处于T6态时，WA合金的稳态蠕变速率均高于WK合金。蠕变后组织观察发现，WA及WK在T4态中分别存在Al2Y颗粒及Zr颗粒，除300℃50MPa外，均能观察到细杆状相及无析出带，当变量唯一时，细杆状相尺寸及无析出带宽度随应力、温度、时间的增加而增加。基于蠕变方程的计算表明，WA及WK合金T4态时分别为位错滑移机制和晶界滑移机制；而在T6态时均为交滑移机制。对蠕变断裂及强化机制进行探讨，发现抗蠕变性能的影响因素包含β′析出相、LPSO相及晶粒尺寸等，其中β′析出相及LPSO相占主导，而晶粒尺寸起辅助作用。
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