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《昆明理工大学》 2010年
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Mg-Al系合金晶粒细化机理研究

王春建  
【摘要】:在Mg-Al系合金的各类晶粒细化方法中,碳质孕育法被广泛认为是最有发展前景和应用潜力的细化方法,但目前还缺乏一种细化效果良好、不污染环境、并且适宜工业推广的含碳细化剂。究其原因是人们对碳质孕育法的细化机理认识不足,在含碳细化剂的开发上缺乏理论的有力指导造成。 现阶段,被广泛认同的碳质孕育法细化机理是Al、C反应生成Al4C3晶核的理论,即“Al4C3异质晶核理论”。但这一理论并不完备,在许多方面(如Al4C3晶核的检测等)还需深入考证与分析。杂质元素对碳质孕育法的细化效果有重要影响,但由于杂质元素本身能够影响Mg-Al合金的晶粒尺寸,因此这一问题比较复杂,迄今为止各国学者对杂质元素作用的认识并不统一,甚至互相矛盾。此外,高纯Mg-Al合金存在自发晶粒细化的现象,这暗示了杂质元素在Mg-Al合金的凝固过程中可能扮演着重要的作用,但究竟是何种元素基于何种机理影响了合金的晶粒尺寸以及碳质孕育法在其间有何作用等,目前还缺乏详细的资料可供参考。 本文系统研究了C2Cl6、Al4C3、SiC三种含碳细化剂所引起的晶粒细化现象和规律,分析并讨论了碳质孕育法可能的细化机理;在自发晶粒细化现象的基础上,通过向熔体中直接添加Mn、Fe杂质元素,系统研究了Mn、Fe元素对Mg-Al合金凝固晶粒尺寸的影响,并以此为基础研究了碳质孕育法处理在其间所起的作用,从而分析了自发晶粒细化、杂质元素的作用、以及碳质孕育法晶粒细化三者之间的联系;在以上研究的基础上,讨论了形核半径、润湿角、形核率等热力学参数的变化,分析了Mg-Al合金晶粒细化现象背后的热力学原因;此外,当合金为高纯合金时,“结晶游离”现象可能是影响合金凝固组织的重要因素,因此本文也研究了“结晶游离”现象对高纯Mg-Al合金凝固晶粒尺寸的影响,以及分析讨论了杂质元素Mn、Fe对合金“结晶游离”现象的作用。主要结果如下: (1)孕育温度、孕育时间对C2Cl6、Al4C3、SiC三种细化剂的细化效果均有重要的影响。首先,三种细化剂的细化效果均随着孕育温度的升高逐渐增加,当孕育温度超过760℃时,三种细化剂都能够将AZ91合金晶粒细化至100μm以下;其次C2Cl6在孕育初期即达到最佳细化效果,之后受孕育时间的影响很小,但Al4C3、SiC在孕育初期的细化效果很差,当孕育时间延长时,Al4C3、SiC的细化效果逐渐增强,在孕育时间较充分时(如60min附近),二者的细化效果可与C2Cl6相当; (2)当将Al4C3、SiC添加到Mg-Al合金熔体中时,尽管Al4C3、SiC是高熔点物质,并且具备与镁匹配良好的晶格特性,但在实际凝固时两类物质都没有直接成为凝固时的晶核,而是被推开到了固液界面前沿,并最终位于p相附近或晶界附近等位置;Al4C3、SiC晶粒细化作用的可能的机制为,二者在熔体中发生了微量的溶解,从而向熔体中释放了碳导致; (3)碳质孕育法晶粒细化作用可能的机理为:碳首先溶解在Mg-Al熔体中,在熔体冷却凝固过程中,过饱和的碳会析出并形成含碳的晶核,从而促进了晶粒的细化; (4)杂质元素Mn、Fe一般都会促进高纯Mg-Al合金晶粒的粗化但当Fe含量过高而析出Al-Fe颗粒时或熔体中同时存在Mn、Fe元素而析出Al-Mn-Fe颗粒时,由于这些颗粒具备成为镁晶核的性质,从而能够一定程度的细化合金晶粒;Mn、Fe元素对高纯合金晶粒尺寸可能的影响机制为,Mn、Fe元素能够与高纯熔体中的含碳晶核相互作用,从而严重削弱了晶核的形核能力造成; (5)Mn、Fe元素对碳质孕育法的晶粒细化现象具有重要的影响,当Mn、Fe元素含量较低时,碳质孕育法的细化效果非常显著,但随着Mn、Fe元素含量的增加,碳质孕育法的细化效果逐渐变差;Mn、Fe元素对碳质孕育法细化效果的可能的影响机制为,特定孕育条件下,从熔体中析出的含碳晶核的量是有限的,当Mn、Fe元素含量较低时,含碳晶核与Mn、Fe元素的相互作用能够充分消耗Mn、Fe元素,从而能够明显减弱其粗化效果,但若Mn、Fe元素含量较高,则有限的晶核只能消耗部分的Mn、Fe元素,从而熔体中仍有粗化效果剩余,并且Mn、Fe元素含量越高,粗化效果剩余的越多,碳质孕育法的细化效果越差; (6)对Mg-Al合金凝固热力学参数的研究表明,碳质孕育法处理能够减小熔体凝固时的润湿角,增加凝固形核率,从而有助于细化合金晶粒;高纯Mg-AI合金凝固时的润湿角较小,形核率较高,但当添加Mn、Fe杂质元素时,合金凝固时的润湿角增加,形核率则减小,若在此基础上再对熔体进行碳质孕育法细化处理,则润湿角将再次减小,形核率再次增加;碳质孕育法处理时,含碳晶核的半径约在20-40nm范围内,由于含碳晶核很容易在试样制备时被消耗,因此实际检测试样中的晶核尺寸可能远小于这一范围,并最终导致含碳晶核检测的困难; (7)对“结晶游离”现象的研究表明,Mg-Al合金中的游离晶的细化能力明显高于Mg-Zn、Mg-RE等合金,因此“结晶游离”现象可能是导致高纯Mg-Al合金自发晶粒细化现象的重要原因;Mn、Fe元素的存在除了能影响含碳晶核的形核能力外,也能影响熔体中的“结晶游离”过程,从而对合金的凝固晶粒尺寸也具有重要的影响。 本文的创新点在于:(1)在传统的碳质孕育法细化机理—“A14C3异质晶核理论”的基础上,基于大量碳质孕育法的细化现象和规律以及相关的热力学分析,重申并发展了“碳先溶解后析出”的机制,并提出这一机制是导致碳质孕育法晶粒细化现象的根本原因;(2)借助自发晶粒细化现象系统研究了杂质元素对Mg-Al合金凝固晶粒尺寸的影响,建立了高纯合金的自发晶粒细化、杂质元素的作用、碳质孕育法晶粒细化三者之间的联系,深化了对碳质孕育法晶粒细化现象的认识,并澄清了杂质元素在其间所起的作用;(3)在传统研究思路的基础上,引入并分析了“结晶游离”现象对Mg-Al合金凝固晶粒尺寸的影响,建立了“结晶游离”现象与合金凝固晶粒尺寸之间的半定量关系,并提出“结晶游离”现象也是影响Mg-Al合金凝固晶粒尺寸的重要因素
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG146.22

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【参考文献】
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