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AZ31镁合金细化剂及外场复合细化研究

张爱民  
【摘要】:目前镁合金中应用最广泛的Mg-Al系合金铸造过程主要的晶粒细化方法是加C(碳)质细化剂,但此方法存在污染环境、细化效果一般和细化机理不甚明确等问题。为提高Mg-Al系合金的综合性能,急需制备新型的C质细化剂或是开发一种高效的非C质细化剂;电磁场和超声场对合金凝固组织有显著影响,但两种外场与细化剂复合作用对合金组织和力学性能的影响研究很少;另外,稀土元素Gd和Nd对Mg-Al系合金的作用行为与机理研究还不够充分。因此,研究合金元素、细化剂和外场作用下,具有代表性的AZ31合金的晶粒细化行为与细化机理对推动Mg-Al系合金晶粒细化的研究有重要的理论意义和实用价值。 本文针对传统C质细化剂存在的问题,采用原位反应烧结法制备了Al-5C中间合金,该方法解决了向镁合金熔体中引入C元素存在的环境污染的问题,并研究了该中间合金的加入量、搅拌方式等工艺参数对AZ31合金组织和力学性能的影响行为与机理。在此基础上,研究了螺旋磁场、超声场与Al-5C细化剂复合对AZ31合金组织细化的影响,研究结果表明:Al-5C细化剂能有效地细化AZ31合金组织,提高合金的力学性能;螺旋磁场可改善Al-5C细化剂中Al4C3颗粒的团聚问题,增进了Al-5C细化剂的细化效果,体现出良好的叠加细化效果;而超声场与Al-5C细化剂复合处理的细化效果与单独施加超声场的细化效果相当。 超声处理对镁合金组织的细化行为,特别是对镁合金中第二相的细化行为研究较少,本文研究了超声处理对AZ31合金的细化工艺与机理,发现超声处理除了对基体的晶粒尺寸有显著的细化作用外,对合金中的Al-Mn相也有明显的细化作用;对AZ31-lwt%Si和AZ31-lwt%Sb合金进行超声处理表明:在第二相析出温度附近进行超声处理能有效地细化合金中的第二相(Mg2Si相和Mg3Sb2相),提高合金的力学性能。超声产生的空化效应可促进第二相形核并影响长大过程。同时,细小的第二相在超声声流作用下可分布的更均匀。 采用氟盐法(LSM)制备了Al-3Ti-3B和Al-5TiB2中间合金,研究了这两种Al-Ti-B系中间合金对AZ31合金组织和性能的影响。不经任何辅助工艺处理时,添加Al-3Ti-3B中间合金对AZ31合金的细化作用不明显;在高温搅拌的情况下,添加Al-3Ti-3B中间合金对AZ31合金有一定的细化作用,A182相与AZ31合金熔体中的Fe元素反应使杂质元素Fe的含量大大减少,是导致晶粒细化的原因;添加Al-5TiB2中间合金不能有效地细化AZ31合金组织,中间合金中的TiB2颗粒不能作为a-Mg的异质形核基底是导致晶粒不能细化的原因。 添加少量Gd、Nd到AZ31熔体中首先与合金中的A1元素反应生成Al2Gd和Al2Nd化合物,少量的A1-RE(稀土)化合物在晶界处分布;随着Gd、Nd含量的增加,Al2Gd相和Al2Nd相逐渐转变为尺寸细小的Al4Gd相和Al11Nd3相,Al4Gd相和Al11Nd3相大多分布在晶粒内部。GRF(生长抑制因子)值较大的Nd元素比GRF值较小的Gd元素对AZ31合金的细化作用好。Nd元素的添加可改善AZ31合金的拉伸性能。两种稀土元素对AZ31合金组织的影响机理可从三方面进行分析:1)Gd、Nd与合金中的Al反应生成Al-RE化合物,消耗一部分Al元素,减弱了Al对合金的晶粒细化作用。2)Al-RE化合物领先于a-Mg析出,可阻碍α-Mg晶粒的生长,但Al-RE化合物与α-Mg的晶格错配度较大,不能作为α-Mg的异质形核核心。3)与Al元素反应剩余的稀土元素在液固界面前沿聚集产生成分过冷,可促进α-Mg形核。随着稀土元素含量的增加,生成的Al-RE化合物类型发生转变,导致剩余的Nd, Gd元素减少,GRF值降低。


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