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变质Al-20wt.%Mg_2Si合金中初生Mg_2Si生长形貌演化与调控机制

陈磊  
【摘要】:金属间化合物Mg2Si具有高熔点、低密度、高硬度、高弹性模量和低热膨胀系数等优点,作为强化相在提高轻质合金的室温及高温性能方面拥有工业应用潜力。然而,传统铸造铝、镁合金中,初生Mg2Si易生长成为粗大的树枝晶,割裂基体并成为裂纹源,严重损害了合金的强韧性。所以,必须对初生Mg2Si进行形貌和尺寸的调控。变质处理是一种常见的尺寸和形貌调控手段。吸附-毒化机制是目前普遍接受的一种重要的变质机制,然而,已有的研究多集中在单质(Si),对金属间化合物Mg2Si的研究较少,变质元素的选择也仅限于通过与被变质单质相(如Si等)原子半径比值(RE/RSi)进行预测。因此,如何选择在Al–Mg–Si合金中能够有效调控初生Mg2Si形貌和尺寸的变质元素,并实现对未知变质元素变质效果预测是凝固与结晶研究领域亟待解决的关键难题与热点问题。此外, Al–Mg–Si熔体凝固的过程中存在严重的浓度偏析和过冷度差异的熔体环境,影响初生Mg2Si生长过程的因素非常复杂。目前,尽管国内外学者对熔体中初生Mg2Si的生长过程进行了研究,并取得了可喜的进展,但是受制于变质元素的选择和无法有效地通过萃取方式获得初生Mg2Si立体形貌,目前对生长过程的研究主要集中在树枝晶和八面体,对十四面体、立方体Mg2Si的生长过程报道较少。 因此,本论文通过对Li、Be、Ca、Sr、Sn、Pb、P、Sb、Bi和Te元素变质Al–20Mg2Si合金中初生Mg2Si形貌的研究,揭示不同形貌初生Mg2Si的生长过程。通过比较变质元素在Mg2Si{100}和{111}晶面吸附能比值δ,提出了变质通用性规律。通过对比不同形貌初生Mg2Si增强合金的室温和高温拉伸性能,提出了初生Mg2Si形貌对合金力学性能的影响规律。 本文的主要研究结果如下: 1)通过Li、Ca、P、Sb、Sr元素变质,成功制备了八面体、十四面体、类球形十四面体、切角立方体和立方体初生Mg2Si,实现了Al–Mg–Si熔体中Mg2Si形貌调控;发现了变质初生Mg2Si框架式生长过程共性规律;首次揭示了立方体初生Mg2Si生长过程,其生长过程包括:不对称树枝晶→类立方体轮廓→立方体轮廓→有缺陷立方体→立方体→完整立方体。成功制备了十二面体初生Mg2Si,其生长四个阶段包括:不对称树枝晶→十二面体轮廓→有缺陷十二面体→完整十二面体。 2)揭示了有无异质核心对十四面体初生Mg2Si生长过程的影响:有核心(Mg3Sb2)十四面体生长过程包括:类十四面体轮廓→十四面体轮廓→有缺陷十四面体→完整十四面体;无核心十四面体生长过程包括:不对称树枝晶→类十四面体轮廓→十四面体轮廓→有缺陷十四面体→十四面体→完整十四面体;提出随着Ca含量的增加,初生Mg2Si形貌演化规律为:树枝晶→十二面体(0.08wt.%)→切角立方体(0.1wt.%)→立方体(0.1wt.%)。 3)将变质元素分为吸附元素(Li、Be、Ca、Sr、Pb)和置换-吸附元素(Sn、P、Sb、Bi、Te)两类;吸附元素和置换-吸附元素均选择性的吸附在Mg2Si的{100}晶面,通过干扰晶体100晶向与111晶向的生长速度之比改变初生Mg2Si的形貌;变质元素的变质机制均为典型的吸附-毒化机制;揭示了过量Sc(0.4wt.%)添加形成Al3Sc化合物导致其变质失效的过变质现象。 4)建立了适用于Mg2Si生长变质的选择性吸附计算模型,发现了微量元素变质Mg2Si生长形貌共性规律:δ越大,变质效果越显著,变质后最终形貌中{100}晶面保留越多,反之,{111}晶面保留越多;对于吸附元素,当2.3≤δ≤3.9时,初生Mg2Si最终形貌为八面体,当9.1≤δ≤16.6时,晶体将转化为立方体;对于置换-吸附元素(Sn除外),当δ≤1.6时,初生Mg2Si最终形貌为八面体,当1.8≤δ≤3.1时,晶体将转变为十四面体。 5)当初生Mg2Si尺寸接近时,初生Mg2Si形貌与挤压Al–20wt.%Mg2Si–4wt.%Cu合金抗拉强度的关系为:十四面体立方体八面体树枝晶;十四面体增强合金室温抗拉强度σ b由未变质的220MPa增加至281MPa,断裂应变ε f由2.6%增加至4.1%;150°C时,十四面体的σ b由未变质的185MPa增加至264MPa,ε f由2.6%增加至3.5%,为新型高性能轻质铝、镁合金设计提供了借鉴。 总之,本文通过微量元素变质Al–20Mg2Si合金中初生Mg2Si的生长过程研究,揭示了初生Mg2Si形貌演化规律,提出了变质元素变质初生Mg2Si的共性规律,实现了初生Mg2Si形貌和尺寸可控制备,为发展Mg2Si增强轻质铝、镁合金提供借鉴。


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1 陈磊;变质Al-20wt.%Mg_2Si合金中初生Mg_2Si生长形貌演化与调控机制[D];吉林大学;2015年
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