镁合金具有质轻、高的比强度、良好的导热导电性、阻尼减振、电磁屏蔽等等优异性能,在交通、电子通讯、航空航天等领域展现了广阔的应用前景,已成为21世纪绿色环保工程材料之一。然而,当前镁合金材料的室温强度相对较低,耐蚀性能较差,严重限制了其作为结构材料的广泛应用。因此,发展高强高韧并兼有良好耐蚀性的镁合金材料,就成为当前结构材料前沿领域的热门课题,具有重要现实意义。本文基于课题组新近开发的高强Mg-6Zn-1Mn镁合金(ZM61),系统研究了稀土Nd、Y对ZM61的微合金化效应;并借助铜模铸造快速凝固技术,研究了不同冷却速率对ZM61合金结果和性能影响。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)配置能谱分析仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、示差扫描量热仪(DSC)、万能材料试验机、电化学工作站等实验手段,系统研究了不同稀土Nd、Y对ZM61系镁合金的微观结构、热稳定性、力学性能、腐蚀性能等的影响。主要获得了如下结果:(1)少量稀土Nd(低于0.4%)对铸态ZM61合金具有明显的细晶作用,随着Nd含量继续增加,在晶界上析出粗大第二相颗粒而导致合金的综合力学性能降低。研究还发现,Nd对挤压态ZM61合金的织构影响较小,其显著影响合金动态再结晶率。当Nd含量较低时,合金经挤压时动态再结晶率较低,主要生成弥散细小的第二相;随着Nd的增加,合金发生完全的动态再结晶,由于在合金晶界上析出粗大的T相,而导致合金综合力学性能下降。(2)当稀土Nd含量较低时,固溶处理后ZM61-Nd合金晶粒尺寸明显减小,大部分第二相已溶入镁基体中。在随后时效过程中能够析出大量细小弥散的第二相,起到弥散强化的作用,合金展示了较好的力学性能;随着Nd含量的增加,残留基体中的稀土三元相T相随之增加,进而在后续时效处理时,合金析出的第二相会减少,而导致ZM61-Nd系固溶单级时效态镁合金强度降低。透射电子显微镜结果证实了ZM61-Nd系合金在时效过程中的强化相Mg Zn2以β’1杆状相和β’2盘状相两种形式存在。其中β’1杆状相与基体的位向关系为:[112?0]Mg∕∕[0001]Mg Zn2,(0002)Mg∕∕(112?0)Mg Zn2;盘状β’2(Mg Zn2)相与基体的位向关系为:[112?0]Mg∕∕[101?0]Mg Zn2,(0002)Mg∕∕(0002)Mg Zn2。而通过添加Nd,可加速ZM61系合金中盘状β’2(Mg Zn2)相的析出,且随着时效时间的延长,合金中部分杆状β’1(Mg Zn2)相会向盘状β’2(Mg Zn2)相发生转变。(3)研究发现,在ZM61-Y系铸态合金中,随着Y含量的变化,合金主要物相演变规律为:α-Mg+Mg7Zn3→α-Mg+I→α-Mg+W→α-Mg+X,这主要归因于Zn/Y原子比的不同造成的。其中,I相主要偏聚于枝晶,W相多以鱼骨状的形式存在,X相多以片层状形式存在。(4)当Y含量低于2%时,挤压可使晶界和晶粒内部析出细小弥散的第二相,提高合金强度的同时,也具有较好的室温延展性,其断口上韧窝尺寸也较大。随着Y的增加,第二相颗粒变大,主要存在于晶界,热挤压过程中晶粒不易被挤碎、细化,弱化了析出相与基体的界面能,最终使得挤压态合金综合力学性能降低。同时,少量稀土Y(低于2%)掺杂ZM61系合金经固溶人工时效后,综合性能获得提高。这归因于在固溶过程中,合金中的大部分第二相颗粒溶入镁基体,在随后的人工时效过程中,晶界和晶内析出细小弥散的第二相颗粒,从而起到弥散强化作用。随着Y的增加,固溶过程中溶入镁基体的第二相颗粒少,固溶时效强化效果降低,而且晶粒尺寸大幅度长大,整体导致合金综合性能下降。(5)确立了Mg-6Zn-1Mn-2Y合金经515℃/2h+90℃/24h+180℃/24h固溶双级时效处理可获得较好的综合力学性能,其屈服强度高达340MPa,对应的时效硬化曲线呈现“欠时效-峰时效-过时效”特征,在时效过程中可长时间处于高硬度的状态,具备强的时效硬化能力,这为发展高强ZM61-Y合金系提供了可借鉴的技术路线。(6)快速凝固技术使得ZM61镁合金的微观组织更加均匀,析出相更加细小,合金强度可达460MPa,约为传统铸造镁合金的2倍。这主要归因于Mg Zn2析出相相对于α-Mg基体,具有较高的杨氏模量,使得合金强化效应明显。此外,通过动电位极化实验发现,快速凝固ZM61镁合金具有更低的腐蚀电流密度、更高的点蚀电位和更宽的钝化区间,其腐蚀速率仅为11.2μm/year,展现了优异的耐蚀性能。