部分稀土镁合金体系相关系的研究

论文摘要

镁合金因具有比重轻、比强度高、以及良好的电磁屏蔽能力、良好的铸造性能、易于再生利用和资源丰富等一系列优点，其开发应用已成为材料研究和应用界的关注热点。在镁合金中添加稀土，能够提高合金的高温力学性能、抗蠕变性能、耐蚀性能等。因此，稀土常作为镁合金的主合金元素或微合金化元素。稀土元素在镁合金中的多种有益作用，促成了稀土元素在镁合金中日益广泛的应用和稀土镁合金的不断开发。为了更有效的改进合金性能、优化合金成分与工艺选择，有必要掌握相图和热力学信息。本文通过实验测定和相图计算技术CALPHAD两种手段，分别对Mg-Nd-Y三元系、Mg-Ce-Y三元系和Mg-Al-Yb三元系的相关系进行了研究。并根据本文建立的和文献报道的热力学数据库，对Mg-Ce-Y、Mg-Al-Yb和Mg-Zn-Y三元合金的平衡凝固过程和非平衡凝固过程进行了模拟，主要研究工作如下：（1）通过X射线衍射分析、扫描电镜和电子探针成分分析，测定了Mg-Nd-Y三元系773 K富镁侧的等温截面。实验验证了存在三元相β，检测到三个三相区：（Mg）+Mg24Y5+β、（Mg）+Mg41Nd5+β、β+Mg2Y+Mg3Nd；五个两相区：（Mg）+β、（Mg）+Mg41Nd5、Mg24Y5+β、Mg41Nd5+β、β+Mg3Nd。化合物Mg3Nd和β有较大的溶解度范围，其中Mg含量变化较小，Nd和Y有较大的成分变化范围。运用CALPHAD技术优化计算了Mg-Nd-Y三元系，内容包括：评估了Mg-Nd二元系的实验数据，重新优化了Mg-Nd二元系，其中液相采用简单的替换溶液模型，有序相bccB2采用双亚点阵模型，并与无序相bccA2采用了同一个吉布斯自由能表达式，以处理bccB2相与bccA2相之间的有序无序转变关系；在前人优化的基础上，对Mg-Y二元系中bccB2相的参数重新进行了调整，减少了参数数目；根据所测的等温截面，并结合边际二元系的热力学参数，优化计算了Mg-Nd-Y三元系。所有计算结果都较好的吻合了实验数据。（2）评估了Ce-Y二元系的实验数据，并首次运用CALPHAD技术对该体系进行了优化计算，其中Ce的hcp相和Y的fcc相的晶格稳定性数据采用了文献报道的第一原理计算值，根据优化所得的参数计算的相图合理的解释了实验数据。改用双亚点阵模型来处理Mg-Ce二元系中的有序相bccB2，并运用CALPHAD技术优化了模型参数。计算的Mg-Ce相图与实验数据一致。与COST507数据库的计算结果比较，新的模型考虑了bccB2相与bccA2相间的有序无序转变，且bccB2相由包晶反应生成，符合实验结果。根据文献报道的Mg-Ce-Y三元系的实验数据，优化了该三元系，计算的773K的等温截面和富镁侧三个垂直截面与实验的相关系一致，计算的富镁侧液相面的共晶反应和两个三元化合物的分解温度与实验值吻合。（3）评估了Al-Yb二元系的实验数据，并首次运用CALPHAD技术对Al-Yb二元系进行了优化，计算的Al-Yb二元系相图与热力学性质与实验数据基本一致。结合文献报道的Al-Mg和Mg-Yb二元系的优化结果，外推计算了Al-Mg-Yb三元系。计算了液相面投影图，一系列的垂直截面和等温截面。（4）根据本文及文献报道的热力学数据库，对Mg-Ce-Y、Mg-Al-Yb和Mg-Zn-Y三元合金的凝固过程进行了模拟，模拟结果合理的解释了文献报道的Mg-Ce-Y和Mg-Zn-Y三元合金的凝固组织。Mg-Al-Yb三元合金的平衡凝固和Scheil凝固中各相的质量分数变化曲线存在明显差异，根据模拟结果，对合金的热处理温度提出了合理化建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 镁及镁合金的特点与研究现状
• 1.1.1 镁的特点与应用
• 1.1.2 镁合金的特点与应用
• 1.1.3 稀土镁合金
• 1.2 镁合金相图
• 1.3 相图研究及方法
• 1.3.1 相图测定方法
• 1.3.2 相图计算技术
• 1.4 研究目的和内容
• 第二章 Mg-Nd-Y三元系的实验测定与热力学计算
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 合金样品的制备
• 2.2.2 样品检测
• 2.2.3 实验结果与讨论
• 2.3 实验数据的评估
• 2.3.1 Mg-Nd二元系
• 2.3.2 Mg-Y二元系和Nd-Y二元系
• 2.3.3 Mg-Nd-Y三元系
• 2.4 热力学模型
• 2.4.1 纯物质的自由能
• 2.4.2 溶体相
• B2和bcc_A2相'>2.4.3 有序—无序转变的bcc_B2和bcc_A2相
• 3Nd和β相'>2.4.4 Mg₃Nd和β相
• 2.4.5 化学计量比相
• 24Y₅和Mg₂Y'>2.4.6 化合物Mg₂₄Y₅和Mg₂Y
• 2.5 计算结果与讨论
• 2.5.1 Mg-Nd二元系
• 2.5.2 Mg-Y二元系
• 2.5.3 Mg-Nd-Y三元系
• 2.6 小结
• 第三章 Mg-Ce-Y三元系的热力学优化与计算
• 3.1 引言
• 3.2 实验数据的评估
• 3.2.1 Ce-Y二元系
• 3.2.2 Mg-Ce二元系
• 3.2.3 Mg-Ce-Y三元系
• 3.3 热力学模型
• 3.3.1 溶体相
• B2和bcc_A2相'>3.3.2 有序—无序转变的bcc_B2和bcc_A2相
• 2Y相'>3.3.3 Mg₂Y相
• 3和Ce_1-xY_xMg_5-y相'>3.3.4 CeMg₃和Ce_1-xY_xMg_5-y相
• 3.3.5 化学计量比相
• 3.4 计算结果与讨论
• 3.4.1 Ce-Y二元系
• 3.4.2 Mg-Ce二元系
• 3.4.3 Mg-Ce-Y三元系
• 3.5 小结
• 第四章 Mg-Al-Yb三元系的热力学优化与计算
• 4.1 引言
• 4.2 实验数据的评估
• 4.2.1 Al-Yb二元系
• 4.2.2 Mg-Al二元系和Mg-Yb二元系
• 4.3 热力学模型
• 4.3.1 溶体相
• 4.3.2 化学计量比相
• 4.4 计算结果与讨论
• 4.4.1 Al-Yb二元系
• 4.4.2 Mg-Al-Yb三元系
• 4.5 小结
• 第五章 部分稀土镁合金的凝固过程分析
• 5.1 引言
• 5.2 Mg-Ce-Y合金的凝固组织分析
• 5.3 Mg-Al-Yb合金的凝固过程分析
• 5.4 Mg-Zn-Y合金的凝固组织分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文