镁合金凝固过程中溶质分配规律的研究

【摘要】：凝固过程中溶质的分配规律对凝固组织成分的均匀性、溶质偏析、相的析出和晶粒大小具有重要的影响,对改善铸造镁合金的综合性能具有十分重要的意义。因此,通过研究镁合金在凝固过程中溶质分配规律来优化凝固工艺,得到综合性能优良的镁合金铸件。 本论文以Mg-Al合金系作为研究对象,采用金相分析(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)及DSC等试验手段,研究了不同Al和Zn元素添加溶质Al的分配规律和铸态组织的变化。研究结果表明: 根据合金不同淬火温度的金相组织观察得到,在凝固的初期,α-Mg是通过胞状晶方式生长且生长缓慢;在稳定凝固阶段,通过胞状晶转化为等轴枝晶的方式生长且生长快速;在凝固后期,通过大的枝晶吞并其它小的枝晶的方式慢速生长,同时在剩余液相中有细小的胞状晶生长。 对于Mg-Al和Mg-Al-Zn合金,溶质Al的分配系数随着固相含量的增加而减小,到固相体积分数为50%时,实验的溶质分配系数与平衡溶质分配系数相接近。同时,溶质Al在该合金系凝固前沿固相内的溶质增加量少于在液相中的溶质增加量。 在Mg-Al合金中随着Al添加量的增加,溶质Al在α-Mg基体中的固溶量也逐渐增加;但当Al的添加量大于6%时,在α-Mg基体中的平均固溶量却没有随Al添加量的增加而增加,大量的溶质Al在晶界或者枝晶界析出。在Mg-6Al和Mg-9Al合金中,一定量Zn的添加,抑制了溶质Al在α-Mg基体中固溶,使溶质Al更多的在枝晶间或晶界析出。 用Scheil模型和平衡模型计算值与试验值比较了枝晶前端溶质的分配规律;对于Mg-Al合金,Mg-3Al合金中溶质分配规律介于两种模型值之间,而Mg-6Al和Mg-9Al合金中溶质分配规律在初始凝固阶段,枝晶前端溶质含量略高于这两种模型值,到最后凝固,这三种合金的溶质含量接近平衡模型值。对于Mg-Al-Zn合金,由于Zn的添加,溶质Al的分配规律在初始凝固阶段,枝晶前端溶质含量均低于这两种模型值,到最后凝固,合金的溶质含量接近平衡模型值。 在Mg-Al和Mg-Al-Zn合金中偏析率过高或者过低都不利于晶粒形核和抑制晶粒长大,在本实验结果中,当偏析率低于41.72%时,GRF越大,晶粒越细小;当偏析率高于41.72%时,GRF越大,晶粒越粗大。