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【阶段进展】高性能镁合金强韧化研究取得新进展
编辑:田甜     作者:机械与动力工程学院 科学技术研究院   发布时间:2022-06-20  点击数:

镁合金作为目前工程应用领域最轻的金属结构材料,满足航空航天、国防军工、轨道交通等领域中长期减重计划要求,具有广阔的应用前景。然而与钢铁、铝合金等传统金属材料相比,镁合金存在一些明显的性能不足问题,如绝对工程强度低,极大地限制了其在上述领域的规模化应用。近年来,我国高端装备对轻质镁合金的高性能化、构件大型化的要求越来越突出,发展工程应用的大尺寸高强/超高强镁合金材料已成重中之重。然而,传统的加工制备工艺虽可以实现镁合金材料大规模工业化生产,但工业化的同时实现镁合金高性能化仍任重道远。

我校机械与动力工程学院李荣广教授团队一直致力于镁合金强韧化机理方面的研究,就如何进一步突破大尺寸镁合金的力学性能,实现大尺寸镁合金高性能化进行了系统研究工作。近两年来该研究团队提出了“充分利用强织构与高密度纳米沉淀相结合的强化方法制备大尺寸高性能Mg-Gd二元合金棒材”(Scripta Mater., 2021)、“利用纳米亚结构界面偏聚结合高密度纳米团簇强化机理制备高性能Mg-Gd二元合金板材”(Mater. Res. Lett., 2022)等学术观点,研究成果为制备超高强镁合金材料提供了基础理论指导和关键技术支撑。

针对大尺寸高性能镁合金棒材的制备技术和强韧化机制研究,李荣广教授团队与东北大学、哈尔滨工程大学、西安交通大学等科研单位合作,采用低温小挤压比挤压工艺结合时效工艺制备出大尺寸混晶组织Mg-13Gd二元镁合金棒材,其屈服强度可达470MPa(图1)。研究发现混晶组织镁合金的高强度主要依靠拉长晶粒内部的高密度纳米级沉淀(图2)与强织构的共同作用,研究成果发表在《Scripta Materialia》上(https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.10.052), 该研究工作曾被材料学网以“四校联合发表《Scripta》新发现!织构强化和析出强化助力Mg-Gd合金性能大幅度提升”为题进行了详细报道(https://mp.weixin.qq.com/s/xta3EtF6t9JqmjwQhBqOyw)。


图1 挤压态和峰值时效态Mg-13Gd合金的拉伸应力-应变曲线


2 峰值时效样品的TEM图:(a) 动态再结晶晶粒和拉长晶粒内的沉淀析出微观组织的HAADF图;(b) 图(a)中红色箭头指向处动态再结晶晶粒内微观组织的高倍HAADF图,内插图为矩形框区域的FFT,电子束沿[11-20]α-Mg晶带轴入射;(c) 沿[0001]α-Mg方向观察到的拉长晶粒内柱面沉淀的HAADF图,以及相应矩形框区域的FFT;(d) 沿[11-20]α-Mg方向观察的拉长晶粒内柱面沉淀的HAADF图,以及相应矩形框区域的FFT


针对镁合金板材的增强增塑机制,团队深入分析了超细晶镁稀土合金的塑性变形特点,采用270℃单道次轧制60%后再时效的工艺对超细晶组织镁稀土合金进行加工,发现该工艺制备的Mg-15Gd二元合金板材的屈服强度大于500MPa,塑性约5%(图3),该轧制态合金在时效后还表现出织构增强的趋势(图3)。轧制工艺促使超细晶合金中细晶粒内部形成高体积分数的小角度界面和高密度的位错(图4),这些高密度位错在时效过程中能有效促使晶内形成高密度的纳米团簇(图5)。研究结果表明该镁合金较高的屈服强度是由于高含量的亚结构界面及界面Gd偏聚、高密度的纳米团簇、高密度的亚微米动态沉淀以及较强织构共同作用的结果。同时,时效过程中位错密度的降低、更多小角度界面和纳米团簇的形成也有利于基体弹性畸变的降低,进而促进了该合金塑性的提高,该成果于2022年发表在《Materials Research Letters》上(https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2086834)。


3 轧制和时效Mg-15Gd合金的力学性能和宏观织构:(a) 工程拉伸应力-应变曲线,(b) 轧制态合金织构,(c) 轧制+时效态合金织构


4 轧制态合金的TEM图像:(a) 包含高密度动态沉淀和纳米晶粒的微观组织;(b) 图(a)相应的电子衍射花样;(c) 高密度位错的微观组织;(d) 进一步放大的微观组织的HAADF图;(e) 图(d)中红色矩形框区域的高倍HAADF图;(f) 图(e)中小角度晶界相应的电子衍射花样


图5 轧制+时效合金的TEM图:(a) 高密度动态沉淀的HAADF图;(b) 更多位错界面的进一步放大HAADF图;(c) 动态沉淀和基体的微观组织;(d) 图(c)中红色圆圈区域基体的电子衍射花样,电子束沿[0001]α-Mg晶带轴入射;(e) 图(c)中红色圆圈区域微观组织的HAADF图;(f) 图(e)中矩形框区域微观组织的进一步放大图;(g) 包含多个纳米团簇的HRTEM图以及相应的FFT


上述文章第一作者均为李荣广教授,我校为第一单位。相关工作得到国家自然科学基金项目(52171121、51971151)、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才项目(XLYC1907083)、辽宁省教育厅项目(LQ2019002)的支持。


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