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稀土变形镁合金组织性能及加工工艺研究

余琨  
【摘要】:论文以高性能变形镁合金材料作为研究方向,以稀土元素对变形镁合金影响为主要研究内容,以具有代表性的Mg-Al-Zn系AZ31、AZ61合金、Mg-Zn-Zr系ZK60合金为基础,对变形镁合金材料的合金成分—组织结构—变形行为—性能变化—材料应用之间的相互关系和作用规律进行了较深入系统的研究, 论文主要内容为研究镁合金熔炼铸造过程中化学反应及控制,铸锭细晶化与均质化原理和工艺,探讨镁合金不同压力加工条件下的变形行为及热处理对组织性能的影响规律,同时研究稀土元素对变形镁合金腐蚀性能的影响。结合镁合金加工工艺和腐蚀行为研究,在国内首次研制出鱼雷动力电池用镁合金负极薄板材料。 在对镁合金相图分析和镁合金熔体化学反应自由能计算的基础上,明确了La、Ce、Nd、T等几种稀土元素在镁熔体中化学反应剧烈程度。根据碱土金属卤盐性质分析,针对不同镁合金系列,制备了抗氧化、阻燃效果优良的镁合金熔剂。特别是专用于含稀土的镁合金熔剂可以有效地减少稀土损失,稀土的收得率达90~97%,国内外均未见有报道。 首次系统地研究了在无法采用Zr细化晶粒的Mg-Al系合金中,加入适量稀土元素使铸锭晶粒细化的机理与工艺。在同等凝固条件下,可使纯镁结晶时粗大的柱状晶完全转变成细小的等轴晶,并使Mg-Al系AZ31合金晶粒平均尺寸从300μm细化到约30μm,晶粒细化效果明显。 提出了稀土元素细化镁及Mg-Al合金铸造组织的主要机理是:由于稀土元素的加入,使凝固过程中固/液界面前沿成分过冷度增大。 研究了添加微量稀土元素的Mg-Al-Zn合金轧制变形和退火过程中合金力学性能与组织演变规律,结果表明微量稀土元素可以同时提高Mg-Al-Zn合金强度和延伸率。利用变形与热处理工艺合理组合,获得5~20μm的细小再结晶晶粒。提出了镁合金在热变形过程中可以有多种变形机制共同作用的新观点。在40~50μm的大晶粒中,变形机制以滑移和孪生为主,而在5~20μm的小晶粒中,晶界滑动机制发挥了重要作用,它可以协调大尺寸晶粒的变形,对提高镁合金变形能力起有益的补充作用。 系统研究了Mg-6%Zn-0.7%Zr-0.8%Nd和Mg-2.8%Ce-0.7%Zn-0.7%Zr合金高温塑性变形及动态再结晶行为。结果表明:含稀土镁合金在热变形过程中不同温度和应变速率下流变应力呈现不同形式。在较高温度下(473K以上),动态再结晶成为影响材料变形行为以及组织与性能的关键因素。 Mg-2.8%Ce-0.7%Zn-0.7%Zr合金热变形过程中流变应力变化形式与Mg-6%Zn-0.7%Zr-0.8%Nd合金相似。计算发现:由于镁合金中稀土第二相的存在,显著提高了材料在热变形过程中的应力指数、峰值应力和变形激活能,说明稀土变形镁合金Mg-Ce-Zn-Zr具有更高的耐热性能,丰富了稀土提高镁合金耐热性能的理论。 中南大学博士学位论文摘要 Mg一‘%zn一口.7%zr一口.8%入甘合金高温热变形中形成的动态再结晶晶粒平均尺寸细小,仅 5一loom.几才宫一2、8%ce一口.7%zn一口.7%zr和彻烤一2.8%八万一口.7%z。一口.7%Zr合金动态再结晶晶粒 平均尺寸20一50 pm。具有较好的挤压变形能力和热处理强化能力,室温、高温综合性能优 良。 研究了微量稀土元素提高材宫一AI一Zn、例宫一Zn·Zr系合金耐蚀性能的作用机理。 在充分挖掘镁合金热处理潜力基础上,.在镁合金轧制过程中成功地开发出90。换向 热、温轧和冷轧工艺,制备出性能均匀的鱼雷电池用镁合金阳极特薄(0.3Omm)板材,综 合电化学性能优良。该材料被用户单位确定为昂贵进口产品的替代材料,将装备我国某型号 重型鱼雷动力电池。填补了国内空白,满足了军工需求。


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