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铸造Mg-Al-Zn系合金的凝固路径、枝晶生长约束因子及晶粒尺寸

侯丹辉  
【摘要】:镁合金具有低密度,高比强度等优点,在汽车、航空和航天等领域的应用日益增加,成为近年来新材料领域的研究重点。Mg-Al系合金是目前工业应用极为广泛的合金系之一。本文采用双电偶热分析、热力学计算、显微组织观察和力学性能测试等手段研究了Zn元素含量变化、微合金化、熔体变质处理及铸造方法对Mg-Al系合金的凝固路径、凝固过程中的特征温度、枝晶相干点固相分数、铸态组织、晶粒尺寸及力学性能的影响规律。 研究了砂型铸造Mg-6Al-x%Zn(简写为AZ6x,其中x=0,2,4,6wt.%)的铸态、T6态组织及力学性能。AZ60的组织由α-Mg、β-Mg17Al12相组成;Zn含量≥2%后,组织中出现了Φ-Mg21(Al, Zn)17相。经T6处理后,Mg-6Al-x%Zn (x=0,2,4,6)的室温屈服强度约提高20MPa;AZ60合金的抗拉强度约提高40MPa,其它三种合金的抗拉强度约提高20MPa。由于基体以及第二相在高温下软化,在从室温到175℃的测试温度范围内,合金的抗拉强度均随温度升高而显著降低,伸长率随温度升高而显著增加,但屈服强度受温度影响较小。 采用双电偶热分析研究了树脂砂型铸造Mg-6Al-x%Zn (x=0,2,4,6)合金的凝固路径,采用EBSD技术获得了合金凝固后的晶粒尺寸。凝固过程中β-Mg17Al12相的生成温度由AZ60合金的439~436℃逐渐降低到AZ66合金的372~369℃;Φ-Mg21(Al,Zn)17相的生成温度在359~362℃。Mg-6Al-x%Zn (x=0,2,4,6)合金的枝晶相干点固相分数fsDCP和晶粒尺寸均随着Zn含量的增加而减小,Zn含量由0增加到6%,fsDCP从36%逐渐减小至23%,晶粒尺寸从557gm减小到235μm;提出在所研究的合金成分范围内,采用fsDCP大小判定晶粒尺寸时可能应考虑枝晶生长过程中的形貌变化对固相分数和晶粒尺寸的影响。 利用热力学软件Pandat计算获得了Mg-6Al-x%Zn (x=0,2,4,6)平衡和Scheil非平衡条件下的凝固路径和室温时的相组成,平衡和Scheil非平衡凝固条件下,AZ60合金的室温相组成为α-Mg、β-Mg17Al12, AZ62-AZ66合金的相组成为α-Mg、β-Mg17Al12和Φ-Mg21(Al,Zn)17;计算结果与铸造组织观察结果相吻合。在平衡条件下,Mg-6Al-x%Zn(X=0,2,4,6)合金中的β-Mg17Al12相不能直接从液相中凝固形成;Zn含量≤4%时,Φ-Mg21(Al,Zn)17相由固相中析出,当Zn含量为6%时,Φ-Mg21(Al,Zn)17相直接从液相中凝固形成。在Scheil非平衡条件下,β-Mg17Al12相由共晶反应L→α-Mg+β-Mg17Al12形成,Φ相通过包晶反应L+β-Mg17Al12→α-Mg+Φ-Mg21(Al, Zn)17形成。 利用二元及三元平衡相图参数计算了Mg-6Al-x%Zn(x=0,2,4,6)合金中的QAl、QZn及Q值;利用Scheil非平衡凝固过程中固相分数与温度的关系计算了Mg-6Al-x%Zn(x=0,2,4,6)合金中的Q值。结果发现:三元平衡相图及Schei非平衡条件下计算的Q值基本一致,通过二元相图参数计算所得的三元合金的Q值与直接采用三元平衡相图参数和Scheil模型获得的Q值差异较大。随Zn含量增加,由Scheil非平衡模型计算获得的Mg-6Al-x%Zn (x=0,2,4,6)三元合金的Q值由21.3增加至41.8,平均晶粒尺寸则相应由557μm减小至235μm,但平均晶粒尺寸与1/Q并不存在现有文献报道的线性关系。 研究了微量Sb元素对砂型铸造AZ91合金组织和性能的影响。显微组织观察表明,加入Sb后,AZ91合金中形成Mg3Sb2相。随Sb含量增加,铸态AZ91+x%Sb (x=0,0.1,0.5,1)合金的室温强度略有增加,而伸长率相应略有降低。经过T6处理后,AZ91+x%Sb合金的抗拉强度和屈服强度可以提高80-100Mpa,但伸长率没有显著提高。AZ91中添加Sb后,在120℃下的强度明显提高。双电偶热分析结果表明,当Sb含量由0增加到1%,合金凝固过程中a-Mg的形核温度降低,枝晶相干点固相分数fsDCP在40%-35%之间,晶粒尺寸在217μm~246μm之间。热力学计算结果表明Mg3Sb2相的形成温度比a-Mg形核温度低约50℃以上,且枝晶生长约束因子Q值随Sb含量增加不发生明显变化,因此Sb元素添加到AZ91合金后,在合金凝固过程中Sb元素不会对α-Mg起异质形核作用,对枝晶生长也起不到明显的抑制作用。 研究了金属型、树脂砂型以及消失模铸造方法下AZ91合金的组织和力学性能,结果表明:由于金属型铸造的冷却速度最快,所得到的AZ91合金的晶粒尺寸最小,大约为186gm;消失模铸造的的冷却速度较慢,所得晶粒尺寸为284gm,且第二相的组织粗大且连续;相应地,消失模铸造AZ91合金抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为120MPa、72MPa、0.65%,而金属型铸造分别达到176Mpa、96Mpa、2.4%.


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