上海交通大学硕士学位论文 I 表面激冷对 Mg-Gd-Y 合金的组织、力学和腐蚀性能的影响 摘 要 本文通过采用阶梯金属型模具和带有铜冷铁激冷的砂型铸型， 浇铸出表面具有细晶层的 Mg-10Gd-3Y（-Zr）镁合金铸件。重点研究了：不同的冷却速度条件下铸件的表层和内部的组织、硬度以及拉伸性能的变化；激冷形成表面层以后，铸件的组织和成分的特点；通过与不放置铜冷铁的砂型铸件比较，得到了表面层对于整体材料的力学性能，包括：硬度、拉伸性能和冲击性能的影响；研究了表面层与内部在腐蚀性能上的差别；最后通过不同的热处理工艺（T5 和 T6） ，分析了表面层尤其是其细晶特点的热力学稳定性和热处理工艺对构件的力学性能的影响。研究结果表明： （一） 、Mg-10Gd-3Y 合金采用阶梯模浇铸后，表层为具有优势生长方向的树枝晶，内部为等轴状的树枝晶，在这两层中间为混合区域。随着冷却速度的增大，表层的二次枝晶间距逐阶减小，硬度增大，综合力学性增强。当冷却速度比较小时，心部组织的硬度较小，表面组织的硬度较大。当冷却速度较大时，心部由于等轴的树枝晶而硬度大于表层。 通过对硬度标准差的分析得出了激冷层的厚度。 （二） 、通过加入铜冷铁激冷后的 Mg-10Gd-3Y-Zr 砂型铸件表面获得了一层厚度约 5.5mm 的激冷表面细晶层。该细晶层较之内部，具有良好的综合力学性能。在铸态下，表层的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别由 150MPa、210MPa和 1.2%提高到 170MPa、240MPa 和 3%。通过对表层及内部的显微组织发现，激冷铸件的晶粒度由表面的 80m 增大到内部的 130m，并且，在表面的激冷细晶层不存在第二相，随着距离激冷面距离的增加，第二相开始出现并逐渐增多至砂型铸造的正常水平。对在铸件的微区成分分析（EDAX）发现，各个合金元素在表层和内部没有明显的成分偏差， 这说明表面细晶层没有第二相不是由于合金元素的偏析造成的，因此可以肯定的是在表面细晶层，合金元素全部都过饱和固溶在基体内。因此可以不经过固溶处理直接时效。 （三） 、分别经过 T5 和 T6 热处理以后，合金的整体组织分布和力学性能发生了很大的变化。经过 T5 处理以后，铸件基本保持了铸态的晶粒度分布规律，在表面细晶层产生了较强的时效强化效果，其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别上海交通大学硕士学位论文 II 由铸态的 170MPa、240MPa 和 3%提高到 250MPa、335MPa 和 2.0%。经过 T6处理以后，铸件已经完全不具备表面细晶的特点了，其晶粒度从表面的 180m降到内部的 140m， 表面的屈服强度、 抗拉强度和延伸率则变为 220MPa、 310MPa和 1.8%，其综合强化效果明显弱于 T5，但是在内部 T6 处理要优于 T5。 （四） 、对铸件的冲击性能进行分析发现，表面细晶层对冲击性能有很大的影响。 如果将表面细晶位置放在裂纹萌生区域， 那么铸件的冲击吸收功将从 35J提高到 45J，即使是在最不利的情况下也能达到近 20J。对冲击的断口的宏观分析发现存在表面细晶层的铸件断面收缩率最大(10%)，变形程度也最大，出现了明显的变形。 对断口的扫描分析显示在铸件表面细晶区出现了大量的韧性断裂的特征。 （五） 、关于表面细晶层的腐蚀性能也作了系统的研究。在 5%的 NaCl 水溶液中的腐蚀速率由原来的2.00mg*cm-2*d-1（砂型铸造， 金属型为1.75mg*cm-2*d-1）降低到激冷表面层的 0.87 mg*cm-2*d-1。一方面经过激冷铸件表面不存在第二相减少了电偶腐蚀的影响， 另一方面合金元素固溶到基体当中能够提高合金的电极电位，降低合金的腐蚀电流。此外，根据腐蚀的宏观形貌发现，在表面层合金的腐蚀主要以均匀腐蚀为主，点蚀的程度不大，从而提高了合金构件的使用寿命。扫描电镜分析发现，合金表面层的均匀腐蚀程度较大，另外腐蚀多集中在一些显微偏析区域，呈溃疡状，一般不会向内发展成蚀孔。但是在内部合金多以第二相和基体间的电偶腐蚀为主，常常优先腐蚀相界，容易形成点蚀，加重腐蚀破坏程度。 关键词：稀土镁合金，表面激冷、表面细晶、显微组织、力学性能、腐蚀性能 上海交通大学硕士学位论文 III Effect of surface chilling on the microstructure, mechanical properties and corrosion properties of Mg-Gd-Y alloy ABSTRACT In this paper, the step-like permanent mould and sand mould with a copper chilling block are used to get a Mg-10Gd-3Y(-Zr) magnesium alloy cast with surface fine-grained layer. Then the main work is: the difference of microstructure and hardness between surface and inside in different cooling rates supplied by step-like mould; the characteristics of microstructure and composition distribution after chilling using copper block; the effect of surface layer (copper block) on hardness, tensile and impact properties; the corrosion properties of surface layer and inside; and the thermodynamic stability of surface layer and the influence of mechanical properties after different heat treatment including T5(aging treatment after casting without solution treatment) and T6 (aging treatment after solution treatment ). The results show that: 1. After Mg-10Gd-3Y magnesium alloy ingot is casted using step-like mould, its surface layer is directional dendrite, and the inside is equiaxed dendrite. There is a mixed zone between them. The dendrite arm spacing (DAS) decreases, the hardness and the mechanical properties increase with the increase of cooling rate (supplied by different step). When the cooling rate is lower, the hardness of mixed zone is the least. After the inside can form equiaxed dendrite with the increase of cooling rate, the inside hardness is the highest. At last, the thickness of chilling layer is measured through the analysis of the standard deviation of hardness. 2. Through using sand mould with a copper chilling block, a surface fine-grained layer in Mg-10Gd-3Y-Zr ingot forms, which thickness is about 5.5mm. Comparing to the inside, this layer has a good mechanical properties. In as-cast condition, the yield strength, tensile strength and elongation is improved from 上海交通大学硕士学位论文 IV 150MPa、210MPa and 1.2% to 170MPa、240MPa and 3%. After the observation of microstructure, the grain size increases from 80m in surface to 130m in inside. And there is no ternary phase in the surface layer. The ternary phase appears and increases to the normal level of sand casting gradually with the increase of the distance from the chilling surface. It can be found that there is no obvious composition segregation through EDAX. It indicates that the above microstructure contribution is due to the cooling rate but not the composition segregation. So it can be concluded that the alloy elements Gd and Y are dissolved into the grain. And this microstructure can be aged without solution treatment. 3. Microstructure contribution and mechanical properties change a lot after T5 or T6 heat treatments. After T5 treatment the grain size contribution characteristics is the same to as-cast condition, the yield strength, tensile strength and elongation is improved to 250MPa、335MPa and 2.0%, because of the effective aging strengthen. After T6 treatment the characteristics of surface fine-grained layer is totally destroyed. The grain size decreases from 180m in surface to 140m in inside. And the yield strength, tensile strength and elongation becomes 220MPa、310MPa and 1.8%. It