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镁合金中α-Mg、Mg_2Si相的异质形核机制与相关中间合金研究

潘义川  
【摘要】:本文利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子探针显微分析仪(EPMA)等测试手段,研究了Si-P、Al-C中间合金分别对Mg-Si、Mg-Al合金的变质和细化作用,考察了各种工艺参数对变质和细化效果的影响。探讨了α-Mg、Mg_2Si相的异质形核机制。 Mg-8Si合金含有性能优良的自生Mg_2Si增强相,但通常呈现出粗大的树枝状形貌,使合金结晶组织表现出极不均匀的“三层”特点:即初晶Mg_2Si相被α-Mg相包围,然后被Mg_2Si+Mg共晶组织包围。初生Mg_2Si树枝晶发达,枝晶间夹角为90°,二次枝晶间距17μm左右。其生长过程伴随着溶质元素的再分配,需要源源不断地从液相中吸收Si,使得固-液界面前沿的Si溶质浓度不断下降,晶体生长由于Si的贫乏而被迫停止。此时界面前沿的液相几乎完全被Mg原子占据,α-Mg相开始生核并长大,形成“晕圈”状形貌将初生Mg_2Si树枝晶包围在中心。最后剩余的液相发生共晶反应,形成连续分枝的不规则丝状或层片状共晶Mg_2Si相分布在共晶Mg相的连续基体中。 Si-10P中间合金对Mg-8Si合金的结晶组织具有显著的变质效果。当中间合金加入量为0.5%、熔体温度为800℃时,变质效果最佳。此时初晶Mg_2Si相由发达的树枝状转变成细小的多角颗粒状,尺寸为10-20μm。在Si-10P中间合金对Mg-8Si合金的变质过程中,同时加入0.5%Ce可使Mg_2Si颗粒的尺寸进一步细化到8μm左右。随着Mg_2Si颗粒形貌的改善和尺寸的细化,Mg-8Si合金原本极不均匀的“三层”结晶组织特征变得不明显,而是形成自生细小的Mg_2Si颗粒增强Mg基复合材料。 进一步研究表明,富Al-P-O-Mg-Si化合物为Mg_2Si相提供了结晶衬底,促进了异质形核,实现了Mg_2Si相的细化。微量P呈梯度分布在衬底的周围,在晶体长大过程中吸附在固-液界面上,抑制了Mg_2Si相生长的各向异性,促进了其形貌的改善。但仍有少量极不发达的一次枝晶臂存在,其围成的空隙就形成了分布在Mg_2Si颗粒中的细小孔洞。


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