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Mg-Al合金铸态组织细化技术基础研究

高德明  
【摘要】: 镁合金具有高的比强度、比刚度、良好的减振性、导热性和可切削加工性,广泛地应用于汽车、电子、航空航天等领域。提高镁合金强度和塑性变形能力,以扩大其应用范围,近年来成为材料工作者努力的目标。晶粒细化是提高镁合金综合力学性能最有效的方法之一,因此研究镁合金晶粒细化技术具有十分重要的意义。 本文通过正交实验,研究了Al、Zn、Mn三种合金元素对负压吸铸镁合金力学性能的影响规律,结果表明,Al含量是影响Mg-Al合金力学性能的关键因素,Zn、Mn含量变化的影响相对Al而言较弱。在本文研究条件下,Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn为负压吸铸的镁合金最佳成分。 采用负压吸铸的方法,研究了Ca、Ce含量变化对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn合金铸态组织影响规律。实验结果表明,Ca、Ce对该合金的铸态组织都有明显的细化效果:当Ca添加量在0~0.9%范围时,随着Ca含量的增加,晶粒尺寸逐渐减小;当Ce添加量在0~1.0%范围时,随着Ce量的增加,枝晶愈见发达,枝晶臂缩颈现象加剧,其中断开呈细小棒状的晶粒逐渐增多,晶界上的β-Mg17Al12相逐渐减少,但出现了新相Al4Ce; 通过高温液淬实验和热分析技术,研究了Ca和Ce对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn合金凝固过程的影响机理。结果表明,Ca促进了液相中的异质核心形核、抑制了α枝晶生长,从而使镁合金的等轴晶尺寸减小;Ce促使镁合金枝晶生长,从而抑制了镁合金枝晶前沿的形核。分析认为,Ca在凝固过程中富集于固液界面前沿,增大了界面前沿液相中的过冷度,从而促进了界面前沿液相中的异质形核,并抑制了先析晶粒的长大;Ce在凝固过程中吸附于固液界面,降低了界面能,从而促进了枝晶的生长,同时导致界面前沿液相中的过冷度减小,抑制了界面前沿液相中的异质形核,减小了α枝晶的二次枝晶间距。 在Mg-9Al-0.8Zn-0.3Mn合金凝固过程中采用超声波、磁致振荡和脉冲电流等物理场进行处理,并与MgCO3变质处理的结果进行对比。实验结果表明,功率超声对合金的铸态组织有明显细化效果,随着功率的增加,细化效果更明显,当功率达到500W时,其细化效果比MgCO3变质处理的效果更好。磁致振荡对合金的铸态组织也有显著细化作用,且随着磁致振荡电压的增大,细化效果也越明显,当电压达到100jV以上时细化效果比MgCO3变质处理的效果更好。脉冲电流对合金的铸态组织同样有细化作用,随着脉冲电流电压的增大,细化效果增大,当电压达到250jV时细化效果与MgCO3变质处理的效果相当。 分析不同物理场和MgCO3变质处理的冷却曲线表明,三种物理场处理对该合金的初始凝固温度影响较小,但是可以显著缩短合金的凝固时间;而MgCO3变质处理使得合金初始凝固温度明显提高,凝固时间略微缩短。分析认为,外物理场处理主要通过促进熔体散热和增加型壁晶核的脱落和漂移,从而促使其凝固组织细化;而MgCO3变质处理的主要通过增加异质形核质点。


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