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合金化对高锌镁合金组织和性能影响的研究

游志勇  
【摘要】:为了提高Mg-Zn-Al系高锌镁合金的强韧化和高温性能,扩大其应用范围,作者在已有的研究成果和存在问题的基础上,从组织和性能的控制上着手,通过合金的成分优化、熔炼工艺、热处理工艺优化和合金化元素的选择及加入方法的优化,研究探讨了Zn含量对Mg-Zn-Al系合金组织和力学性能的影响,确定ZA105为基础合金,再向ZA105合金中添加变质元素Sb和合金化元素Cu,研究Sb和Cu对ZA105合金微观组织和力学性能及磨损性能和腐蚀性能的影响,研究了在Al-Ce基合金中添加Sb、Ti和Mn制备出的中间合金对ZA105合金微观组织和力学性能的影响,研究了热处理对不同含量Cu元素的ZA105合金的微观组织了力学性能的影响。 本文就Zn的含量对Mg-Zn-Al合金组织和力学性能的影响进行了研究。结果表明:(1)Mg-Zn-Al合金的铸态组织均由α-Mg相、τ-Mg32(Al,Zn)49相和φ-A12Mg5Zn2(?)目组成。当Zn含量等于10wt.%时,即当Zn/Al比值为2:1时,合金中大部分τ相和少量的的φ相以半连续的长条状或大的块状分布在基体中;(2)Mg-Zn-Al合金的硬度随着Zn含量的增加而提高,拉伸强度随着Zn含量的增加呈先提高后降低的趋势,冲击韧度随着Zn含量的增加逐渐降低,综合考虑,Mg-10Zn-5Al(ZA105)合金的综合性能最好,因此选定ZA105合金为进一步研究的基础合金。 研究了添加Sb元素对ZA105合金的微观组织和力学性能及磨损性能、腐蚀性能和阻尼性能的影响。结果表明:(1)加入Sb后,合金主要由α-Mg基体,τ-Mg32(Al,Zn)49相、(p-Al2Mg5Zn2相、MgZnCu组和a-Mg3Sb2颗粒相组成,其中a-Mg3Sb2相是高熔点稳定相,具有六方D52结构。(2)Sb的含量为0.1wt.%时,显微组织细化效果最好,此时T-Mg32(Al,Zn)49相由半连续的长条状变成块状,数量增多,在τ相和(φ相上还生成了黑色的颗粒相Mg3Sb2相。(3)随着Sb量的增加,合金的硬度逐渐提高,冲击韧度和拉伸强度呈先增后减的趋势,且当Sb含量为0.1wt.%时,冲击韧度比不含Sb时提高了50%;当Sb含量为0.2wt.%时,拉伸强度比不含Sb时提高了5.4%。(4)随着Sb含量增加,合金磨损量先增加后减少。当Sb含量为0.1wt.%时,合金磨损量最大;当Sb含量为0.8wt.%时,磨损量最少,耐磨性能最好。(5)在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡腐蚀,随着Sb含量的增加,合金的腐蚀速度逐渐增加;Sb的加入对腐蚀产物的种类没有影响,腐蚀产物主要为Mg(OH)2.Mg0.和MgCl2.(6)含Sb合金的极化曲线明显向负电位方向移动,自腐蚀电位下降,Sb的加入具有抑制腐蚀反应阴极过程的作用,对阳极过程则无明显作用。(7)加入Sb后,合金的阻尼机理可以通过G-L钉扎脱钉模型来解释;Sb对ZA105高锌镁合金的宏观阻尼行为是由位错阻尼、界面阻尼和晶界阻尼共同作用的结果。 研究了添加Cu元素对ZA105合金的微观组织和力学性能及磨损性能、腐蚀性能和阻尼性能的影响,结果表明:(1)加入Cu后,合金主要由α-Mg基体相,τ-Mg32(Al,Zn)49相,φ-A12Mg5Zn2相及MgZnCu相组成,其中MgZnCu相具有较高的熔点(565℃)和热稳定性.(2)当Cu含量为2.0wt.%时,合金的组织细化效果和形貌最佳,随Cu含量的进一步增加,合金的显微组织开始粗大化,τ相上出现的黑色鱼骨状组织MgZnCu相也进一步增多,部分出现聚集。(3)随着Cu含量的增加,合金的硬度、拉伸强度呈先增后减的趋势,冲击韧度整体上呈增加趋势。当Cu的含量为2.0wt.%时,比不加Cu时提高了9.65%;室温和高温拉伸强度比不加Cu时分别提高了21.1%和14.3%,而冲击韧度达到6J/cm2。(4)随着Cu含量的增加,磨损量呈现先减后增的趋势,耐磨性先增后减。当Cu含量在2.0wt.%时,磨损量达到最小值,耐磨性能最好。(5)在3.5wt.%NaCl溶液中进行浸泡腐蚀时,随着Cu含量的增加,合金的腐蚀速度先增后减,随着腐蚀时间延长,合金失重率增加。Cu含量为2.0wt.%时,合金的腐蚀速度最小,试验合金的腐蚀产物主要由Mg(OH)2、MgO和MgCl2组成。(6)合金的极化曲线的阴极分支和阳极分支不对称,Cu的加入具有促进腐蚀反应阴极过程的作用。(7)Cu对ZA105高锌镁合金的宏观阻尼行为是由位错阻尼、界面阻尼和晶界阻尼共同作用的结果。Cu含量为1.0wt.%的合金阻尼性能最好。 研究了在Al-Ce基中间合金对ZA105合金微观组织和力学性能的影响,结果表明:(1)加入中间合金之后,合金由α-Mg基体、τ-Mg32(Al,Zn)49相、(p-Al2Mg5Zn2相和Al4Ce化合物相组成。当Al-40Ce-5Ti-5Sb中间合金的加入量为2.0wt.%时,合金中τ相和(φ相变为小块状;合金中出现了针状相A14Ce相;当Al-20Ce-5Ti-5Sb-5Mn中间合金的加入量为3.0wt.%时,合金中长条状的(φ相变成块状,也出现了A14Ce相。(2)ZA105合金的硬度随中间合金加入量的增加而增大,其常、高温拉伸强度和冲击韧度随着中间合金含量增加先增后减;当Al-40Ce-5Ti-5Sb中间合金加入量为2.0wt.%时,合金的常高温拉伸强度达到最大值195MPa和152MPa,比不加的分别高8.33%和16.92%;当Al-20Ce-5Ti-5Sb-5Mn中间合金加入量为3.Owt.%时,合金的常、高温拉伸强度和冲击韧度均达到了最大值,且分别为198MPa、155MPa和9.21J/cm2,比不的分别提高了10.00%、19.23%和26.69%。 研究了热处理对不同含Cu量的ZA105合金的组织了力学性能的影响。结果表明:(1)合金经350。C固溶处理24h和在180℃下时效处理后,显微组织由α-Mg相、τ-Mg32(Al,Zn)49相、(p-Al2Mg5Zn2相和MgZnCu相组成;固溶处理后晶界处长条状τ相、(φ相及MgZnCu相逐渐变小成了颗粒状。τ相没有完全溶入到α-Mg基体中,晶界处仍存在高熔点的热稳相τ相和MgZnCu相。固溶处理后a-Mg基体的显微硬度明显高于铸态合金,达到85.1HV,比铸态时提高了16.7%;τ相的显微硬度略有降低。(2)合金时效处理后T-Mg32(Al,Zn)49相沿晶界及其附近析出,呈细小颗粒状,MgZnCu相因熔点较高、热稳定性好形态未发生大的变化;时效时间为70h时,析出的τ相最多,合金的显微硬度值达到最大值108.2Hv,比固溶时提高了27.1%,时效时间为100h,析出的τ相聚集长大,显微硬度降低。(3)合金室温和高温下铸态和时效处理后拉伸强度均随着Cu含量的增加先增后减,时效处理后的室温拉伸强度均比铸态时高很多。当Cu的含量为2.0wt.%时,合金时效处理后的室温拉伸强度达到225MPa,比铸态时提高了18%,高温拉仲强度达到176MPa,比铸态时提高了10%。


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