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Al_2X(X=Ca,Y,Ce)金属化合物对镁合金晶粒细化、组织及力学性能的影响

姜中涛  
【摘要】:镁合金是目前最轻的金属结构材料,且镁资源丰富,其应用受到研究者们的广泛关注。但是镁合金存在力学性能低、成型性能差等缺点。晶粒细化是解决这些问题的有效方法。对于铸造镁合金来说,变质处理是最有效和最具实用价值的晶粒细化方法。目前Mg-Zr中间合金为不含Al镁合金常用的晶粒细化剂,但其应用还存在很多问题,比如:价格贵、合金化温度高和易沉降等缺点。因此,亟需寻找一种廉价、高效的晶粒细化剂替代品。最近研究发现原位合成Al2Ca颗粒可作为轧制态镁合金的有效形核核心细化晶粒。另外还发现添加Al在Mg-10Y合金中,原位形成的Al2Y颗粒也是镁基体的高效异质形核剂。本文通过原位合成和外添加两种方式,首先考察了Al2Ca和Al2Y两种化合物对铸态镁合金的细化机理及其对合金力学性能的影响;然后通过添加Al在Mg-Ce合金中,证实了Al2Ce是镁合金另一种有效异质形核颗粒;最后总结出Al2X化合物作为异质形核颗粒需要满足的物理化学条件。主要成果如下:通过控制镁中Ca/Al原子比在0.7左右,原位合成了含Al2Ca的铸态镁合金。当Al2Ca含量为4 wt.%时,合金晶粒最细。但合金中的Al2Ca不具有异质形核作用,晶粒细化的原因主要是添加的Ca和Al元素的溶质效应。合金经过热挤压,Al2Ca化合物由网状破碎成颗粒状,为动态再结晶提供了形核质点细化了晶粒。挤压态Mg-4 wt.%Al2Ca合金获得最优的拉伸性能:屈服强度为275MPa,抗拉强度324MPa,延伸率10.2%。通过外添加1 wt.%的Al2Ca粉末颗粒可显著细化铸态AZ31合金晶粒,证实外加Al2Ca颗粒为有效的形核核心。首次制备了含Al2Y颗粒的Mg-10Al2Y中间合金。细化试验显示,Al2Y中间合金可显著细化Mg-3Y合金,Al2Y最优添加量为2 wt.%,保温时间5~60min内晶粒细化效果显著而不失效,且长时间静置Al2Y颗粒沉降不明显。添加2 wt.%的Al2Y后Mg-3Y合金拉伸性能得到较大程度的提高,可与Zr细化的合金性能相媲美。Al2Y中间合金细化性与添加Al细化的Mg-Y合金相比具有明显优势。添加1wt.%的Al只能在Y含量大于6 wt.%的镁合金中原位形成Al2Y形核颗粒,从而细化合金。然而,Al2Y中间合金可显著细化不同含量的Mg-Y合金。且随着Y含量的增加,晶粒细化效率也随着增加。Mg-7Y-2Al2Y合金的晶粒细化效率可达到83%。全面考察了Al2Y中间合金对其他稀土镁合金的晶粒细化性。试验证实其显著细化Mg-3RE-1Y(RE=Ce,La,Nd,Gd)合金,晶粒细化效率全都达到88%以上,在合金晶粒内,可明显观察到有颗粒状Al2Y存在,合金中溶质元素Y增加了Al2Y颗粒的稳定性,提高了细化效率。新获得一种细化镁合金的有效异质形核化合物颗粒。Mg-6Ce和Mg-3Ce合金中添加一定量的Al后,晶粒明显细化。组织分析表明,在α-Mg凝固之前原位形成了具有异质形核作用的Al2Ce颗粒,其位于晶粒中心且与镁基体具有良好晶体学匹配性。研究表明,添加Al细化的Mg-6Ce合金拉伸性能得到显著提高,基于组织分析,阐述了性能的提高是由于晶粒细化和纤维状Al11Ce3的强化作用。高温晶粒稳定性试验表明,Al与Zr细化的Mg-3Ce合金晶粒都具有良好的高温稳定性,主要是因为高温下晶界分布的稳定相Al11Ce3和Mg12Ce的钉扎作用,然而Al细化的Mg-3Ce合金室温和高温压缩性能明显优于添加Zr的合金。总结认为,如果镁合金中Al2X颗粒能起到异质形核的作用,需同时满足三个方面的条件:首先Al2X颗粒与镁基体具有较好的晶格匹配性,其次保持固相颗粒稳定存在于镁熔体中,最后要求合金凝固后颗粒弥散分布在晶粒内部,且颗粒数量达到一定值,尺寸分布在一个较小范围内。


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