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AZ31-xNd镁合金熔炼、组织与性能的研究

李明照  
【摘要】: 本文以提高AZ31镁合金性能作为研究方向,较系统地研究了AZ31-xNd合金的熔炼、制备、铸态组织和性能、挤压态组织和性能及耐蚀性能等。 通过对AZ31-xNd合金熔体化学反应及各组元挥发行为进行热力学分析与计算,明确了熔炼过程中可能发生的化学反应并掌握了配料时各组元的增加率,进而可控制不利反应的进行并准确控制合金的成分。结合镁合金的熔炼特性对熔炼设备进行了改进,对工艺参数进行了优化,制备出了质量优良的AZ31-xNd合金铸棒,为后续研究工作奠定了基础。新工艺的创新点在于集熔化、处理、浇注为一体,整个过程在自动、封闭、连续下进行,实现了安全、清洁、高效、高质量的镁合金材料制备;由于不使用熔剂和温室效应强的SF6气体,减少了废气的排放,减轻了对环境的污染。封闭式熔炼及浇注集成系统的特点在于不使用熔剂,通过反复抽真空和充Ar气可清洗干净熔炼及浇注装置内的杂质气体,整个熔炼及浇注过程均在Ar气保护的封闭空间内进行。模具的特点在于将连通器原理与镁合金的熔炼特性结合,使检测用合金铸棒部分纯度更高。 研究了Nd及Nd含量的变化对AZ31合金微观组织的影响,结果表明:Nd在铸态AZ31合金中主要以颗粒和针状的A12Nd和Mg12Nd化合物形式存在,且随着合金中Nd含量的增加,化合物数量增多,尺寸变大;挤压过程中,铸态时富集在晶界上或溶解在α-Mg基体中的Al2Nd和Mg12Nd化合物以细小颗粒重新析出,并均匀、弥散分布。 Nd可明显细化AZ31合金的晶粒。铸态时,含0.6% Nd合金的晶粒尺寸最小,由未加Nd时的68μm降至约29μm,降低幅度约为57.9%。“凝固过程中溶质再分配使固液界面前沿成分过冷度增大”是Nd细化铸态AZ31合金的主要机理。挤压态时,含0.6 % Nd的合金晶粒尺寸最小,由未加Nd时的26μm降至约10μm,降低幅度为61.5%。“挤压过程中析出的第二相粒子的数量、形状及分布状态”是Nd细化挤压态AZ31合金的主要机理。 研究了Nd及Nd含量的变化对AZ31合金力学性能的影响,结果表明:Nd能够提高铸态AZ31合金的室温拉伸性能。含0.6% Nd合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率值最高,分别为245 MPa、171 MPa和9%,比不含Nd时分别提高了14.3%、24.6%和44.4%。“细晶强化和析出强化的共同作用”是提高铸态AZ31-xNd合金力学性能的主要强化机制。 Nd能够提高挤压态AZ31合金的室温拉伸性能。含0.6% Nd合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率值最高,分别为325 MPa、247 MPa和18.1%,比不含Nd时分别提高了13.6%、27.5%和14.9%。“第二相强化和细晶强化的共同作用”是提高挤压态AZ31-xNd合金室温力学性能的主要强化机制。 铸态和挤压态AZ31-xNd合金的微观组织与室温拉伸性能的关系具有相同的变化规律:合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率随着合金晶粒尺寸的减小而提高。含0.6%Nd合金的晶粒尺寸最小,拉伸性能最好。 Nd能够提高挤压态AZ31合金的高温拉伸性能。AZ31-xNd合金的抗拉强度和屈服强度随拉伸温度的升高而降低,伸长率则随拉伸温度的升高而升高。同一温度下,含Nd的AZ31合金抗拉强度、屈服强度和伸长率均高于不含Nd的合金。“第二相是否具有高的热稳定性”是提高挤压态AZ31-xNd合金高温力学性能的主要强化机制。 研究了Nd对挤压态AZ31合金耐蚀性能的影响,结果表明:Nd能够明显提高AZ31合金的耐蚀性能,含0.6% Nd合金的耐蚀性能最好。在AZ31-xNd合金微观组织与耐蚀性能的关系中,合金中有第二相存在,合金的耐蚀性能提高;合金的晶粒尺寸减小,耐蚀性能提高。“Nd对合金晶粒的细化和第二相的作用”是Nd对AZ31合金腐蚀行为的影响机制。 Nd能够同时提高AZ31合金的力学性能和耐蚀性能。因此,用Nd对镁合金进行组织改性是镁合金研究与开发的一个重要发展方向。 力学性能检测结果表明: AZ31-xNd合金的抗拉强度和伸长率均高于普通AZ31合金。铸态AZ31-0.6%Nd合金的抗拉强度、伸长率分别比普通铸态AZ31提高了81%和136%;挤压态AZ31-0.6%Nd合金的抗拉强度、伸长率分别比普通挤压态AZ31提高了25%和20.7%。


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