Mg-Gd(Y)-Zn系多元合金相图计算和实验验证

【摘要】镁合金作为最轻的商用金属结构材料,在航空航天、汽车工业上已经被广泛应用,现已成为世界各国材料领域研究的热点。经过近几十年的研究发现,在镁基体中添加稀土元素可以显著的提高镁合金的综合性能。当前已有很多关于稀土镁合金的报到,特别是含稀土Gd、Y元素的新型稀土镁合金开发与应用的报道。在新型材料的研究中,合金相图具有很重要的作用,通过相图可以对合金中的相组成做出确切的理论说明,指导合金成分的设计、热处理工艺的制定。而现阶段Mg-Gd(Y)-Zn系合金的研究主要集中在成分优化和性能检测,缺乏指导合金设计的完整相图。本文利用热力学计算软件Pandat和Mg合金热力学数据库外推计算得到Mg-Gd-Zn系和Mg-Y-Zn系合金的等温截面相图与垂直截面相图,通过合金法和扩散偶法相结合的方法对计算相图进行了分析、优化修正。首先,采用合金法选定Mg-xGd-yZn(x=6,9;y=6,8);Mg-xY-yZn(x=3,6;y=6,8)八种合金,在200℃下对试样进行平衡处理,平衡处理时间为480h,用差热分析法(DSC)测定合金的相变温度,用XRD测定合金相组成,用金相显微镜观察了合金的相形貌,用扫描电镜分析了相成分,验证了Mg-Gd-Zn系及Mg-Y-Zn系计算得到的平衡相图。对比分析发现,DSC测定的平衡点与计算得到的平衡点基本相符,个别平衡点存在误差,其中Mg-9Gd-8Zn的差值为5.3%,Mg-8Zn-6Y的误差为30.5%,Mg-6Zn-6Y的误差值为9.3%；由相图计算结果可知,合金中的室温平衡组织是由a-Mg、Mg5Gd、MgZn、Mg24Y5相组成,这与XRD结果相符,说明了用Pandat软件和现有镁合金数据库外推计算的Mg-Gd-Zn系、Mg-Y-Zn系相图具有一定的可靠性；通过金相显微镜观察可知,合金中的组织中主要相是α-Mg和呈树枝晶状,晶间分布颗粒状第二相。经扫描电镜分析,在平衡处理的过程中,发生了原子置换,经确定为α-Mg和Mg5(Zn,Gd)、Mg(Zn,Gd)、Mg(Zn,Y)、Mg24(Zn,Y)5,据此对对计算相图中的平衡相组成进行修正,获得了修正的Mg-Gd-Zn、Mg-Y-Zn系平衡相图。在实验合金中还确定出少量非平衡相,包括MgZn2、Mg3Gd和Mg2Gd,经扫描电镜分析,这些相的组成是Mg3(Zn,Gd)相、Mg(Zn,Gd)2、Mg(Zn,Y)2相,虽然出现了非平衡想,但是含量非常少,对实验结果影响不大。还利用扩散偶法对计算得到的Mg-Zn-G系和Mg-Zn-Y多元合金平衡相图进行了验证,分别使用SEM/EDS和EPMA对其进行分析,结果表明：200℃时Mg2Zn/Gd(wt%)和Mg4Zn/Gd(wt%)扩散偶的相区分布为:a-Mg+Mg5Gd+MgZn→MgZn+Mg5Gd+Mg2Zn3→Mg2Zn3+Mg5Gd+Mg3Gd;Mg2Zn/Y(wt%)扩散偶的相区分布为α-Mg+MgZn→α-Mg+MgZn+Mg24Y5→MgZn+Mg24Y5→MgZn+Mg2Zn3+Mg24Y5→Mg2Zn3+Mg24Y5;而Mg4Zn/Y(wt%)扩散偶的平衡相区分布为α-Mg+MgZn→α-Mg+MgZn+Mg24Y5→MgZn+Mg24Y5→MgZn+Mg2Zn3+Mg24Y5→Mg2Zn3+Mg24Y5→Mg2Y+Mg24Y5+Mg2Zn3,与计算得到相图基本一致。通过EPMA对Mg4Zn/Gd(wt%)和Mg4Zn/Y(wt%)扩散偶进行了能谱分析,得到的Mg4Zn/Gd(wt%)扩散层组织为α-Mg+Mg5Gd+MgZn→MgZn+Mg5Gd+Mg2Zn3→Mg2Zn3+Mg5Gd+Mg3Gd,而Mg4Zn/Y(wt%)扩散偶的相区为α-Mg+MgZn→α-Mg+MgZn+Mg24Y5→MgZn+Mg24Y5→MgZn+Mg2Zn3+Mg24Y5→Mg2Zn3+Mg24Y5→Mg2Y+Mg24Y5+Mg2Zn3,相区边界位置及相图组成与计算得到相图基本一致,证明了计算相图的准确性。
【作者】程乐；
【导师】郭永春；
【作者基本信息】西安工业大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】镁合金；相图计算；Pandat软件；相组成；相图验证；合金法；扩散偶；

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