超轻Mg-Li-Al-RE系合金组织和性能研究

论文摘要

镁锂合金是目前最轻的金属结构材料,具有密度低,比强度和比刚度高,良好的变形能力,电磁屏蔽能力强,阻尼减震性好等优点,在汽车、电子、航空、航天等领域具有广阔的应用前景。但是,镁锂合金存在一些缺点,如强度低,高温强度和抗蠕变性低,耐蚀性差,这些不足严重限制了镁锂合金的发展和应用范围。近年来,我国航天事业飞速发展,对轻质材料的要求日益增大,开发具有较高强度、耐蚀性及耐高温性好的镁锂合金,对于我国航空航天、汽车生产等领域的飞速发展意义重大。基于这一技术背景,本论文制备了Mg-Li-Al-RE系列合金,对其显微组织、室温和高温力学性能、耐蚀性进行了研究,为拓展镁锂合金的应用提供一定参考依据。本论文系统地综述了镁锂合金的研究现状,合金化元素在镁锂合金中的作用和镁锂合金腐蚀与防护。采用真空熔炼的方法制备了不同稀土种类和稀土含量的α+β双相Mg-Li-Al-RE系合金和β相Mg-Li-Al-RE系合金。利用金相光学显微镜、XRD、SEM、电子万能试验机、显微硬度计和电化学工作站等手段对合金的组织和性能进行表征和测试。本文选择了α+β双相和β单相两种组织结构的合金体系,研究了不同种类的稀土对铸态显微组织、室温和高温力学性能及拉伸断口的影响。结果表明,稀土的加入细化了α+β双相合金和β相合金的晶粒,稀土加入量在0.6%～0.9%范围内合金的综合性能最好。由于铝和稀土元素的电负性差值大,合金中生成铝稀土化合物,使基体中固溶的Al含量降低,减少了Mg17Al12和AlLi的数量,使贫锂区的Li的固溶量增加,α相转化为β相。由于细晶强化和第二相强化的作用,合金的强度随稀土含量增加而增大,但当铝稀土化合物（Al3RE和Al2RE）数量较多时,易割裂基体,促使合金强度下降。铝稀土化合物在高温拉伸时会阻止晶界的滑移和位错运动,提高合金的耐热性。Mg17Al12数量减少使合金断裂由脆断裂向塑性断裂转变。研究了变形态Mg-14Li-3Al-（0～0.9）MM合金和LA141-（0～1.2）Nd合金的组织和力学性能的变化,研究表明,两个系列的合金在250℃挤压时,都发生了动态再结晶,晶粒尺寸大幅度降低,由于小晶粒可以协调变形的进行,合金的强度和伸长率提高。实验结果还表明,原始晶粒大小对合金动态再结晶晶粒的大小有较大影响,铸态合金的晶粒大,再结晶晶粒较大。第二相粒子颗粒越细,数量越多,则晶界迁移的阻力越大,晶粒长大的速度越低,再结晶晶粒尺寸越小。受第二相粒子对基体变形的限制,稀土加入量高的合金动态再结晶晶粒大小不均匀。由于Nd对Mg17Al12的细化作用,变形态LA141-xNd合金断口由解理断裂转为韧性断裂。通过对LA141-（0～2Y）合金电化学测试及电化学参数分析表明,Y加入后,腐蚀电流密度呈减小趋势,Tafel斜率明显增大,合金的耐蚀性提高。合金的腐蚀表面形貌变化也证明,随Y加入量增加,腐蚀产物膜逐渐完整,改善了合金的耐蚀性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 镁及镁合金概述
• 1.2.1 镁的性质
• 1.2.2 铸造镁合金的主要种类
• 1.3 镁锂合金的研究历史及现状
• 1.3.1 镁锂合金的研究历史
• 1.3.2 镁锂合金研究现状
• 1.4 合金元素在Mg-Li合金中的作用
• 1.4.1 Al在Mg-Li合金中的作用
• 1.4.2 Zn在Mg-Li合金中的作用
• 1.4.3 RE在Mg-Li合金中的作用
• 1.5 变形镁锂合金
• 1.5.1 影响镁锂合金塑性变形的主要因素
• 1.5.2 变形镁锂合金研究现状
• 1.6 镁锂合金的腐蚀与防护
• 1.6.1 合金化元素对镁锂合金耐腐蚀的影响
• 1.6.2 提高镁锂合金耐蚀性的方法
• 1.6.3 镁锂合金腐蚀防护技术的研究现状
• 1.7 镁锂合金的应用
• 1.7.1 镁锂合金在功能材料中的应用
• 1.7.2 镁锂合金在商业中的应用
• 1.7.3 镁锂合金在航天航空及军事领域的应用
• 1.8 本论文的研究目的和主要研究内容
• 第2章 合金制备及性能测试方法
• 2.1 合金成分设计
• 2.2 合金的制备
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 合金熔炼
• 2.3 热处理及热变形
• 2.3.1 均匀化处理
• 2.3.2 合金的挤压变形
• 2.4 组织结构分析和性能测定
• 2.4.1 合金成分测定
• 2.4.2 合金相成分分析
• 2.4.3 金相试样的制备与组织观察
• 2.4.4 扫描电子显微镜观察
• 2.4.5 硬度测试
• 2.4.6 力学性能测试
• 2.5 合金晶粒尺寸测量
• 2.6 电化学测试
• 2.6.1 实验样品制备
• 2.6.2 实验装置
• 2.6.3 实验步骤
• 2.7 本章小结
• 第3章 混合稀土对α+β双相Mg-Li-Al系合金铸态组织与性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 合金成分
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 显微组织
• 3.3.2 合金相组成
• 3.3.3 EDS结果分析
• 3.3.4 力学性能
• 3.3.5 合金断口形貌
• 3.4 分析与讨论
• 3.4.1 形核动力学机理
• 3.4.2 混合稀土对显微组织的影响
• 3.4.3 混合稀土对力学性能的影响
• 3.4.4 混合稀土对显微硬度的影响
• 3.4.5 铸态合金断口分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 RE对β相Mg-Li-Al系合金铸态
• 4.1 引言
• 4.2 合金成分
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 Mg-16Li-5Al-（0～1.2）MM合金组织和性能
• 4.3.2 Mg-16Li-5Al-（0～1.0）Ce合金显微组织和性能
• 4.4 分析与讨论
• 4.4.1 混合稀土和Ce对晶粒细化的影响
• 4.4.2 混合稀土和Ce对合金室温力学性能的影响
• 4.4.3 混合稀土和Ce对合金高温强度的影响
• 4.4.4 混合稀土和Ce对合金显微硬度的影响
• 4.4.5 断口分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 变形态Mg-Li-Al-RE系合金组织
• 5.1 引言
• 5.2 变形态Mg-14Li-3Al-xMM合金的组织和性能研究
• 5.2.1 合金成分
• 5.2.2 显微组织
• 5.2.3 相组成及EDS分析
• 5.2.4 变形后的显微组织
• 5.2.5 力学性能
• 5.2.6 分析与讨论
• 5.3 变形态LA141-xNd合金的组织和性能研究
• 5.3.1 铸态显微组织
• 5.3.2 相组成及EDS分析
• 5.3.3 变形态显微组织
• 5.3.4 力学性能
• 5.3.5 拉伸断口形貌
• 5.3.6 分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 Y对LA141合金耐蚀性影响的电化学评价
• 6.1 引言
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 铸态显微组织
• 6.2.2 Tafel极化曲线测试
• 6.2.3 恒电位极化曲线测试
• 6.2.4 合金腐蚀后的SEM
• 6.2.5 XRD分析
• 6.3 分析与讨论
• 6.3.1 镁锂合金的腐蚀反应
• 6.3.2 晶粒细化对合金腐蚀行为的影响
• 6.3.3 Y含量对合金腐蚀行为的影响
• 6.3.4 第二相对合金腐蚀行为的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢