Mg-Al合金鑄態(tài)晶粒細化理論和實驗研究.pdf

1、鎂合金作為輕質(zhì)金屬材料的典型代表，具有良好的抗阻尼性、比強度和比剛度高等優(yōu)點，在航空航天、3C產(chǎn)品、汽車等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢鴮τ谀壳耙呀?jīng)廣泛使用的鑄造鎂合金，其力學(xué)性能及后續(xù)的可加工性能還不夠理想，極大了限制了其進一步的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。晶粒細化可有效提高鎂合金的強度和延展性，開發(fā)出一種高效低成本的晶粒細化劑是改善鎂合金綜合性能、擴大鎂合金應(yīng)用的重要手段，因此開展鎂合金晶粒細化劑和細化機理的研究具有重要的理論和實際意義。<

2、br>　　本文主要是針對晶粒細化比較困難的含Al鎂合金進行研究，開發(fā)低成本、高效的晶粒細化劑，具體以純鎂、Mg-3Al和Mg-6Al體系為對象，通過對添加不同的化合物和合金元素細化晶粒效果的理論與實驗研究，獲得理想晶粒細化劑。根據(jù)Mg-Al-Si和Mg-Al-Sn熱力學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了三元相圖并設(shè)計了Mg-xAl-ySiC(x=3,6；y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0)，Mg-xAl-ySiO2(x=3,6；y=0.2、0.5、0

3、.8、1.5、2.0)以及Mg-xAl-ySn(x=3,6；y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0)合金，通過生長抑制因子(Q值)、邊邊匹配模型(E2EM)等手段預(yù)測了各體系中形核劑的晶粒細化效果和細化機理。通過金相分析、X射線衍射、能譜、背散射電子衍射、拉伸試驗、掃描電鏡、透射電子顯微分析等手段，研究了成分、冷卻速度、擠壓變形等參數(shù)對鑄態(tài) Mg-Al合金微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律；根據(jù)合金中第二相形成和分布特征，研究了 Mg2S

4、i、Mg2Sn等對鎂中 Mg17Al12第二相的異質(zhì)形核作用機理，得到了針對含Al鎂合金的高效晶粒細化劑、探討了晶粒細化機制，主要研究結(jié)果如下：
　　低成本的非金屬化合物 SiC作為 Mg-Al合金的晶粒細化劑，可起到很好的晶粒細化效果，相應(yīng)力學(xué)性能也得以改善。Mg-3Al系合金的平均晶粒尺寸可從650.34μm降低到95.36μm（Mg-3Al-2.0SiC），鑄態(tài)Mg-3Al-0.8SiC合金的抗拉強度及壓縮斷裂強度可達到19

5、4 MPa、298 MPa，延伸率12％，較同批次Mg-3Al合金分別提升了~15 MPa、~24 MPa，延伸率增加4%；在鑄態(tài)Mg-6Al合金中添加1.5 wt.%SiC后的壓縮性能最優(yōu)，斷裂強度達到了363 MPa，較Mg-6Al合金提升了~48 MPa，延伸率為~15%。此外，基于對鑄態(tài)組織的TEM表征，弄清了SiC對Mg-Al系合金的細化機制：即SiC不直接作為形核位點，而是先與Al反應(yīng)釋放出單質(zhì)Si，Si較高的長抑制能力（）

6、使部分 Si在凝固過程中發(fā)揮了溶質(zhì)分離效應(yīng)，促進晶粒細化；部分Si則與Mg結(jié)合生成Mg2Si。edge-to-edge模型計算表明Mg2Si與Mg17Al12之間存在位相關(guān)系/(202)Mg2Si（夾角），//和/()Mg2Si(夾角)，//，這使得Mg2Si可成為第二相Mg17Al12的形核位點，并改變其形貌和分布，尤其是在Mg-3Al體系中，Mg17Al12不再在晶界處或三角晶區(qū)呈片狀或網(wǎng)狀析出，而是在晶粒內(nèi)部以分散的、顆粒狀的形式

7、析出。被分散的Mg17Al12相可作為α-Mg基體的形核質(zhì)點，從而起到晶粒細化的效果。衍射斑分析和菊池線匹配驗證了 Mg2Si與Mg17Al12之間的匹配關(guān)系。
　　首次將低成本的 SiO2粉末添加至 Mg-Al合金得到了很好的晶粒細化效果。Mg-3Al合金的平均晶粒尺寸為650.34μm，添加0.5 wt.%SiO2后降低到了86.77μm。增加 SiO2含量至1.5 wt.%，鑄態(tài)合金的屈服強度和抗拉強度繼續(xù)提升至87 MPa

8、和190 MPa，延伸率9.5%，較同批次Mg-3Al合金性能（屈服強度和抗拉強度分別為~79 MPa和~180 MPa，延伸率8.1%）略微提高；鑄態(tài) Mg-3Al-SiO2和Mg-6Al-SiO2合金的最高壓縮斷裂強度分別可達~298 MPa和~325 MPa，表明這一成分范圍 SiO2的添加可改善 Mg-3Al合金的力學(xué)性能。值得注意，細晶的Mg-Al-SiO2鑄態(tài)合金經(jīng)擠壓變形后晶粒尺寸進一步細化，晶粒尺寸僅為15~18μm，較

9、擠壓態(tài)Mg-6Al的平均晶粒尺寸(~50μm)顯著降低。擠壓態(tài)Mg-6Al-SiO2合金的屈服強度和抗拉強度最高可達219 MPa和297 MPa，相較Mg-6Al合金分別提升了62 MPa和57 MPa，延伸率為13.6%；壓縮斷裂強度最高可達~447 MPa，延伸率為~12%，變形后的合金性能提高明顯。研究表明，添加Al和SiO2的順序、保溫時間以及冷卻速度等因素均會對合金的晶粒細化效果產(chǎn)生影響，這主要是同合金中生成的Mg2Si相的

10、數(shù)量和析出行為有關(guān)。低冷速下(1K/sec)合金的晶粒細化效果較高冷速(3K/sec)的更加明顯。在冷速為1K/sec時，Mg完全熔化后先加入Al再加入SiO2保溫10min的晶粒細化效果最佳，晶粒尺寸從1092.45μm（Mg-3Al）降低到了379.07μm(Mg-3Al-2.0 SiO2)，減小了近2.5倍。衍射斑分析和菊池線標定表明該合金體系生成的Mg2Si相與Mg基體之間不存在位相關(guān)系，說明Mg2Si相不是Mg相的形核核心，晶

11、粒細化效果是被分解出來的單質(zhì) Si(Q=9.42)與合金中的 Al溶質(zhì)效應(yīng)的共同作用。
　　添加合金元素Sn也可對Mg-Al合金產(chǎn)生較好的晶粒細化效果，鑄態(tài)Mg-Al-Sn合金的晶粒尺寸從940.72μm最低可降至435.47μm（AT310）。鑄態(tài)Mg-6Al-0.2Sn合金的壓縮屈服和斷裂強度分別達到107 MPa和352 MPa，較同批次鑄態(tài)Mg-6Al合金分別提高了32 MPa和17 MPa；隨著Sn含量的增加，鑄態(tài)Mg-

12、6Al-Sn合金壓縮屈服和斷裂強度分別最高可達124 MPa和360 MPa，延伸率達到~32%。通過衍射斑分析和菊池線標定驗證了 Mg2Sn與 Mg17Al12之間存在位相關(guān)系：//(20)Mg2Sn夾角），//和//()Mg2Sn夾角）,//，且Mg2Sn先于 Mg17Al12在500℃左右生成（Mg17Al12在450℃左右生成），證明 Mg2Sn可以Mg17Al12的異質(zhì)形核心。彌散分布的Mg17Al12相可對α-Mg基體產(chǎn)生很