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亚快速凝固条件下镁合金的凝固行为及其应用研究

滕海涛  
【摘要】: 镁合金作为最轻的商用金属结构材料,具有高的比强度、比刚度,优良的阻尼性能和电磁屏蔽性能,良好的铸造性能及丰富的资源优势等特点,在汽车、通讯、电子及航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。传统铸造工艺得到的镁合金产品的显微组织及析出相比较粗大且分布不均衡,致使其强度、塑性变形性能、热稳定性能、抗氧化性能及耐腐蚀性能不够理想,难以满足高性能结构材料的需求,因而镁的现有使用情况远没有充分发挥镁合金材料的潜在优势。亚快速凝固具有较高的凝固冷却速率,能够显著细化晶粒和第二相,增加组织和成分的均匀性,扩展合金元素的固溶度和形成新的亚稳相等,从而可大幅度提高镁合金的力学性能、加工性能和耐蚀性能。因此,通过亚快速凝固使镁合金获得不同于常规凝固方式的组织结构,是提高镁合金性能,扩展其应用前景的有效途径。 本文利用自行开发设计的几种不同的工艺装置实现了镁合金的亚快速凝固,研究了不同工艺及冷却速率下镁合金的凝固组织特征及形成机理,分析了显微组织与铸件力学性能、耐腐蚀性能的关系,探讨了不同凝固条件下镁合金铸件的强化机制和腐蚀行为。主要研究内容和结果如下: 设计了真空吸铸急冷模法制备镁合金小尺寸薄片铸件工艺装置,实现了镁合金的亚快速凝固。研究了亚快速凝固条件下镁合金凝固组织的特点,并与常规凝固镁合金铸件的显微组织进行了比较分析。结果表明:常规凝固条件下,镁合金的凝固组织晶粒粗大且不均匀:主要由初生α-Mg及晶间大量分布的β-Mg_(17)Al_(12)(包括离异共晶组织β相及二次析出β”相)两相组成;溶质元素Al、Zn在凝固过程中富集、偏析于晶界处形成金属间化合物β-Mg_(17)Al_(12)相,而只有少量的合金元素固溶于晶粒(初生α-Mg相)内,元素的微观偏析严重。亚快速凝固镁合金薄片铸件等轴晶区的晶粒明显细化,晶粒度达到几个微米,且随着冷却速率的增加,晶粒度不断减小;较高的冷却速率抑制了溶质元素的扩散,形成了以过饱和α-Mg相为主的凝固组织,晶界处析出的β-Mg_(17)Al_(12)相极少或者消失,增加了铸件成分及组织的均匀性;溶质元素大量固溶于基体Mg中,Al原子以置换的形式取代晶体结构中的Mg原子,导致了晶体Mg的晶格常数减小,其XRD衍射峰向右偏移。 测量了亚快速凝固铸件显微组织中二次枝晶臂间距,从数量级上估算了亚快速凝固的冷却速率,结果表明,本实验镁合金薄片铸件的冷却速率达到了10~2~10~4 K·s~(-1),其凝固过程属于亚快速凝固范畴。探讨了镁合金不同凝固过程中的溶质分配原理、组织演化及形成机理,分析表明:亚快速凝固条件下,极快的冷却速率使得熔体凝固过程中固/液界面推移的速率很快、局部凝固时间很短,合金元素来不及完全扩散就已经被高速移动的界面“淹没”而凝固,使其很大程度上固溶于基体α-Mg中。较快的冷却速率下,形核在以晶核为中心沿六个方向生长过程中,绝大部分还没有来得及长大,就彼此交集生成细小的等轴晶粒;另一部分晶核不能完全发育长大或者由于受到其它形核生长的阻挡,生长成近似花瓣状(花瓣实质为一次枝晶组织)结构,而只有少部分形核最终能够长大成具有细小的二次枝晶臂的枝晶结构组织。 通过对AZ61A镁合金不同铸件的力学拉伸性能和腐蚀性能的测试,研究了亚快速凝固组织对镁合金性能的影响,探讨了亚快速凝固镁合金的强化机制和腐蚀行为。结果表明:与常规凝固镁合金铸件相比,亚快速凝固镁合金的拉伸性能及耐腐蚀性能都有了不同程度的提高;亚快速凝固铸件强度及塑性的提高是细晶强化、固溶强化和位错强化综合作用的结果,而耐蚀性的改善则主要归因于细小而均匀分布的晶粒组织,抑制了晶界处不连续分布的β相的析出,以及大量的溶质元素Al固溶于α-Mg基体中。 设计了真空吸铸-阻尼冷却管法实验装置,实现了AZ91D镁合金半固态浆料的制备与铸件流变成形的一体化,得到了AZ91D镁合金半固态浆液的亚快速凝固组织,观察显示:镁合金半固态浆液具有触变性及更高的黏度,以平稳、层流的充型方式完成充型,能够有效改善成形件的质量。其凝固过程可分为两部分:“第一次凝固”—近液相线温度的金属液流经阻尼冷却通道时的凝固,产生了大量初生α-Mg固相颗粒及晶核并裹入存活于熔体而形成了半固态浆料;“第二次凝固”—半固态浆液高速射入模具型腔后,在紫铜模具的激冷作用下,残留液相亚快速凝固生成细小的二次α-Mg晶粒和β-Mg_(17)Al_(12)相,初生α-Mg固相颗粒弥散分布在由非常细小的二次α-Mg相及β相构成基体组织中,初生α-Mg固相颗粒的尺寸主要在15μm~35μm,二次α-Mg相晶粒尺寸约为6μm。 在对亚快速凝固镁合金小尺寸薄片铸件凝固组织特点、凝固行为及性能研究的基础上,利用冷模离心铸造工艺制备大口径镁合金薄壁管,以此实现较大尺寸规格的镁合金铸件的亚快速凝固。制备得到了形状完整、壁厚均匀的AZ61A镁合金薄壁管,铸管显微组织晶粒得到了显著细化,形成以过饱和初生相α-Mg为主相的凝固组织,合金元素的固溶度大大提高,微观偏析及成分起伏明显减小,整体分布均衡;拉伸力学性能得到提高,塑性得到了明显改善,断口形貌存在大量拉伸韧窝,具有准解理断裂特性。


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