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稀土元素Er和Ho对Mg-Y-Zn合金显微结构和性能影响

摘要

镁合金因其密度低、比强度高、电磁屏蔽能力强等优点，在航空航天和汽车工业等

领域有着广泛的应用前景。然而，镁合金强度低、塑性差和高温抗氧化性能差制约其在

高端装备承力件、次承力件的应用。含长周期堆垛有序相（LPSO）的Mg-Y-Zn合金力

学性能优越，是目前主流的高强镁合金之一，但是Mg-Y-Zn合金中LPSO相的尺寸过

大，无法进一步提高镁合金的强度，此外，Mg-Y-Zn合金基体中低的固溶原子含量使之

不足以长时间保持优异的高温抗氧化性，增加Y含量则会形成脆性相降低镁合金的力

学性能，难以同时获得优异的高温抗氧化性能和优越的力学性能。针对上述问题，本论

文以Mg-Y-Zn基合金为研究对象，利用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针分

析和X射线光电子能谱探明了合金元素Er和Ho及热机械处理对基体显微组织的影响

规律；分别研究Er和Ho对纳米尺寸沉淀相形成的影响，并揭示了纳米相对Mg-Y-Zn

基合金力学性能的影响，阐明了两种纳米尺寸沉淀相提高合金力学性能的强化和塑化机

制；研究了Ho对Mg-Y-Zn合金高温力学性能的影响，阐明了Ho同时提高合金高温强

塑性的机理；最后在保持优异力学性能的情况下，研究了Ho对Mg-Y-Zn合金高温抗氧

化性能的影响，阐明了Ho提高Mg-Y-Zn合金高温抗氧化性的机理。

探明了稀土元素Er和Ho对Mg-Y-Zn合金的基体组织的影响，Er和Ho均是LPSO

相的组成元素，且形成的LPSO相都是18R晶体结构。0.5at.%Er元素并不会改变Mg-

Y-Zn合金的基体显微结构。1at.%Ho元素会细化Mg-Y-Zn合金的晶粒尺寸，同时增加

LPSO相的体积分数，当Ho含量超过1at.%时，LPSO相的体积分数和合金的晶粒尺寸

不变。随着Ho含量的增加，基体中Ho含量也增加。挤压变形后的镁合金基体组织包

括再结晶区和未再结晶区组成的双峰结构以及长条状的18RLPSO相，时效处理对未再

结晶区和18RLPSO相没有影响。

揭示了Er对五周期超晶格纳米相及合金力学性能的影响。Er在（1121）晶面中偏�

聚的形成能最低（-2.292eVatom-1），促进形成五周期超晶格纳米相（NSPs）。细小NSPs

相均匀分布在Mg基体中，通过位错剪切机制中的有序强化贡献60MPa，促进变形过程

中位错增殖和c+a位错激活，位错增殖和激活的c+a位错共同促进塑性。通过在铸态

Mg-Y-Zn合金中引入NSPs相获得了234MPa的抗拉强度和13%延伸率。

揭示了Ho对纳米尺寸14HLPSO相及合金力学性能的影响。Ho和热机械处理使

Mg-Y-Zn-Ho合金形成双峰结构，包括再结晶区和未再结晶区，其中再结晶区中形成纳

哈尔滨工程大学博士学位论文

米间距溶质偏聚的14HLPSO相。高密度纳米间距溶质偏聚14HLPSO相是由有利于

RE/Zn原子短路扩散的再结晶区和镁基体中大量Ho原子促进形成。纳米间距溶质偏聚

的14HLPSO相对未再结晶区无影响。纳米间距溶质偏聚的14HLPSO相通过类纤维强

化机制贡献44MPa。双峰结构在变形过程中保持高的加工硬化能力，贡献合金的塑性。

通过在含Ho变形态镁合金中引入纳米间距溶质偏聚的14HLPSO相，获得了453MPa

的抗拉强度和10%的延伸率。

阐明了Ho对Mg-Y-Zn合金高温力学性能的影响，Ho在高温变形过程中，钉扎-脱

钉位错，激活动态应变时效效应，并通过Frank-Read机制显著促进可动位错增殖，大量

的可动位错被LPSO相阻碍，促进加工硬化，同时大量的可动位错也促进大塑性，LPSO

相和可动位错的协同强化作用有利于高温强度和塑性的同时提升，本文通过在Mg-Y-Zn

合金中加入Ho，使合金在高温变形时激活动态应变时效效应，促进位错增殖，获得了

230MPa的抗拉强度和21%的延伸率。

揭示了Ho对Mg-Y-Zn合金高温抗氧化行为的影响，在保持优异力学性能的Mg-Y-

Zn-Ho合金中，发现Ho在高温氧化过程中，Ho优先和氧反应