微量元素对Mg-8Sn合金微观组织的影响规律及变质机制

【摘要】：Mg–Sn系合金共晶温度高、共晶相Mg2Sn热稳定性好,被认为是实现镁合金高温应用的较佳选择之一。然而,传统重力铸造条件下的共晶Mg2Sn相尺寸粗大且呈现为联网状的层片形貌,导致共晶Mg2Sn常作为裂纹萌生与扩展位置,恶化了Mg–Sn合金的力学性能,同时也为后续热处理与变形带来困难。因此,为保证Mg–Sn合金的强塑性,必须对Mg–Sn合金的微观组织进行调控。微量元素变质具有稳定、高效、成本低与操作简单等优点,非常适用于调控Mg–Sn合金的铸态的微观组织。近年来,研究人员的侧重点在微量元素对Mg–Sn合金的力学性能、时效析出与变形行为的影响,而针对微量元素调控Mg–Sn合金的凝固组织与细化变质共晶Mg2Sn的研究较少。理想的凝固组织是实现Mg–Sn合金强韧性提高、后续热处理与变形顺利进行的基础。因此,探索有效的微量添加元素与揭示微量元素对Mg–Sn合金微观组织的影响机制对优化Mg–Sn合金制备工艺、提高合金力学性能有重要意义。共晶系Mg–Sn合金的微观组织主要由a-Mg相与共晶Mg2Sn相组成。目前的研究多从a-Mg晶粒细化与第二相形貌变质两个方向分别进行,而对微量元素能否协同细化变质a-Mg晶粒与共晶Mg2Sn的关注较少。因此,筛选出较佳的微量元素种类与含量,获得细小的a-Mg晶粒与共晶Mg2Sn,对降低合金制备成本与实现Mg–Sn合金微观组织可控有重要的应用价值。本文通过改变在Mg–8Sn合金中添加元素种类(Sb、Bi、Si、P、Al、Sr、Zr与Y)与含量,筛选出能够细化变质Mg–8n合金微观组织的元素并优化合金元素加入量,研究了元素细化a-Mg晶粒与变质共晶Mg2Sn的机理,主要结果如下:1)Sb、Bi、Si、P与Sr均对Mg–8Sn合金中共晶Mg2Sn相有一定细化变质效果。Sb、P与Sr细化变质共晶Mg2Sn的机制为吸附-毒化,Bi与Si则通过促进Mg2Sn形核的方式实现共晶相细化;Y对Mg–8Sn合金的共晶Mg2Sn尺寸影响较小,但Y能将共晶Mg2Sn形貌由粗大的层片状转变成紧实的海草状,其变质机制为Y引起Mg2Sn凝固过冷度增加。2)Sb从0.1 wt.%增加到1.0 wt.%,其对Mg–8Sn合金中共晶Mg2Sn相细化变质效果逐渐减弱,出现变质失效现象,机理为Mg3Sb2相在共晶Mg2Sn相凝固过程中析出,Sb的有效含量减少,弱化吸附-毒化作用。Si含量超过0.5wt.%后,Si对Mg–8Sn合金中共晶Mg2Sn相变质失效,其过变质机理为共晶Mg2Si沿择优取向长大后不利于共晶Mg2Sn形核,导致其无法充当有效异质核心。3)Sb、Bi与Si添加后均能有效地细化?-Mg晶粒,其晶粒细化机制为微量元素(Sb、Bi、Si)与Sn的耦合作用,提高了溶质对?-Mg的生长抑制作用;Zr-Sb复合添加成功实现了协同细化?-Mg晶粒与共晶Mg2Sn相,其机理为Zr充当?-Mg晶粒异质核心,Sb吸附-毒化共晶Mg2Sn生长;合金最大抗拉强度由~62 MPa提高到~89MPa,为实现Mg-Sn系合金铸态组织优化提供借鉴。