砂型鑄造Mg-Gd-Y合金凝固行為與晶粒細(xì)化機(jī)制研究.pdf

1、相對(duì)fcc和bcc結(jié)構(gòu)的金屬材料，hcp結(jié)構(gòu)的鎂合金具有更高的Hall-Petch系數(shù)，因此晶粒細(xì)化對(duì)提高鎂合金強(qiáng)度具有深遠(yuǎn)的意義。Mg-Gd-Y合金作為一種新型高強(qiáng)耐熱鎂合金，在航天航空以及國(guó)防領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。大型復(fù)雜薄壁航天Mg-Gd-Y合金鑄件主要采用砂型鑄造成形，晶粒粗大且力學(xué)性能低。然而，隨著新型凝固技術(shù)的不斷發(fā)展，具有千年歷史的砂型鑄造工藝也顯示出了一定的發(fā)展空間。
　　本文通過(guò)調(diào)節(jié)合金中Gd、Y、Zr含量，控

2、制冷卻速率、澆注溫度以及脈沖電流工藝參數(shù)，采用計(jì)算機(jī)輔助冷卻曲線分析技術(shù)(CA-CCA)，結(jié)合光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜(EDS)分析以及力學(xué)性能測(cè)試，系統(tǒng)地研究了砂型鑄造Mg-Gd-Y合金的凝固行為、凝固組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系以及晶粒細(xì)化機(jī)制，提出了Zr與脈沖電流復(fù)合處理晶粒細(xì)化方法，構(gòu)建了復(fù)合處理?xiàng)l件下α-Mg自由晶的受力模型以及溶質(zhì)遷移模型，探索了復(fù)合處理方法在砂型鑄造Mg-G

3、d-Y合金某型號(hào)鑄件試制過(guò)程中的應(yīng)用。
　　探明了合金元素含量、鑄造工藝參數(shù)與脈沖電流砂型鑄造Mg-Gd-Y合金α-Mg形核過(guò)冷度(ΔTN)的關(guān)系，首次研究了脈沖電流對(duì) Mg-Gd-Y合金凝固行為的影響規(guī)律，闡明了凝固條件對(duì)α-Mg起始形核溫度(Tα,N)的作用原理。在Gd、Y、Zr中，Zr對(duì)ΔTN的影響最大。隨著合金中Gd含量由0增加至12.7wt.％、Y含量由0增加至5.6wt.%、Zr含量由0增加至0.70wt.%，ΔTN依

4、次增大7.9℃、3.4℃與10.4℃；Gd、Y通過(guò)增大成分過(guò)冷來(lái)降低 Tα,N，Zr通過(guò)“包晶反應(yīng)”降低液-固相變阻力從而提高Tα,N。脈沖電流產(chǎn)生的靜電力與洛倫茲力增大了原子團(tuán)簇形成臨界α-Mg晶核的幾率，減小了α-Mg臨界晶核尺寸，降低了α-Mg晶核形成所須的臨界過(guò)冷度，從而提高Tα,N。
　　建立了合金元素含量(C)與砂型鑄造Mg-Gd-Y合金α-Mg平均晶粒尺寸(d)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，優(yōu)化出砂型鑄造Mg-Gd-Y合金的最佳合

5、金元素含量，發(fā)現(xiàn)了在砂型鑄造工藝中Zr含量小于0.45wt.%(Zr在Mg中的溶解度)的合金在凝固過(guò)程中能夠析出單質(zhì)Zr(ZrP1)，揭示了合金中Gd、Y以及不同狀態(tài)Zr的晶粒細(xì)化機(jī)制。CGd與d之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為 d=52.5+59.0exp(-CGd/3.8)；CY與 d之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為d=45.1+20.7exp(-CY/5.1)；砂型鑄造 Mg-Gd-Y-0.45Zr合金 Gd、Y總含量(CTotal)與 d之間滿足數(shù)學(xué)關(guān)系式

6、d=45.3+106.6exp(-CTotal/5.8)，且Gd、Y通過(guò)增大成分過(guò)冷來(lái)提高α-Mg形核率。砂型鑄造Mg-10.2Gd-3.5Y(0.45Zr)合金具有最佳的強(qiáng)度與塑形(拉伸性能σ0.2=142MPa,σb=220MPa,δ=4.0%)。砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金Zr含量(CZr)與d之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：d1=351.0-658.2CZr，(CZr﹤0.45wt.%時(shí))；d2=79.9-46.7CZr，(CZr﹥0.

7、45wt.%時(shí))。合金中的Zr的狀態(tài)包括始終溶解的ZrS、凝固過(guò)程中析出的ZrP1以及始終未溶解的ZrP2。Zr通過(guò)降低α-Mg形核所須的臨界過(guò)冷度(ΔTCritical)來(lái)提高合金α-Mg的形核率，從而提高α-Mg形核率，繼而細(xì)化α-Mg晶粒。不同狀態(tài)Zr的作用機(jī)制依次為：ZrS為成分過(guò)冷；ZrP1析出前為成分過(guò)冷，ZrP1析出后為曲率過(guò)冷；ZrP2為異質(zhì)形核。當(dāng)CZr=0.61wt.%時(shí)，砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金具有最佳拉伸

8、性能(σ0.2=153MPa,σb=224MPa,δ=7.3%)。部分未溶解的Zr以顆粒強(qiáng)化方式提高合金強(qiáng)度。
　　建立了鑄造工藝參數(shù)、脈沖電流與砂型鑄造Mg-Gd-Y合金α-Mg平均晶粒尺寸(d)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，優(yōu)化出砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金的最佳冷卻速率、澆注溫度以及脈沖電流工藝參數(shù)(峰值電流I,頻率f與占空比P)，發(fā)現(xiàn)了脈沖電流細(xì)化砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金晶粒的工作參數(shù)閾值，揭示了過(guò)冷、過(guò)熱以及脈沖電流擾動(dòng)對(duì)

9、α-Mg形核率與溶質(zhì)遷移的作用機(jī)制。隨冷卻速率(CR)由1.4℃/s增至10.5℃/s，砂型鑄造Mg-10Gd-3Y-0.45Zr合金的d由59μm降至39μm，且CR與d之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：d=39.4+72.2exp(-CR/0.9)。α-Mg形核率(I*)與生長(zhǎng)線速度(u)隨冷卻速率的提高而增大，CR對(duì)I*的影響大于其對(duì)u的影響。隨澆注溫度(PT)由680℃提高至750℃，砂型鑄造Mg-10Gd-3Y-0.45Zr的d由44μm增

10、至71μm；當(dāng)PT提高至780℃時(shí)，d降至46μm。PT與 d之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：d=–5444+15.1PT-0.01PT2，過(guò)熱產(chǎn)生的液/液相變?cè)龃罅嗽訑U(kuò)散系數(shù)比值(DL2/DL1)，從而提高I*。連續(xù)網(wǎng)格狀或粗大島狀的共晶、低溫澆注產(chǎn)生的縮松、高溫澆注產(chǎn)生的氧化夾雜與溶質(zhì)集中都能降低合金的力學(xué)性能。當(dāng)CR在2.1-3.5℃/s范圍且PT為750℃時(shí)，合金具有較好的強(qiáng)度與塑性。在砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金凝固過(guò)程中施加脈沖電

11、流能夠細(xì)化α-Mg晶粒，促進(jìn)溶質(zhì)原子均勻分布。然而，當(dāng)I≥100A、f≥500Hz或P≥60%時(shí)，脈沖電流不再有晶粒細(xì)化效果。脈沖電流通過(guò)降低α-Mg形核能壘提高α-Mg形核率；通過(guò)提高溶質(zhì)分配系數(shù)(k0)來(lái)緩解溶質(zhì)偏聚；電流過(guò)高的Joule熱能夠熔化已經(jīng)形成的α-Mg晶核。
　　提出了Zr與脈沖電流復(fù)合處理細(xì)化砂型鑄造Mg-Gd-Y合金晶粒的方法，揭示了復(fù)合處理的晶粒細(xì)化機(jī)制，構(gòu)建了復(fù)合處理?xiàng)l件下自由晶的受力模型以及溶質(zhì)遷移模型

12、，發(fā)現(xiàn)復(fù)合處理的晶粒細(xì)化效率隨著冷卻速率的降低而提高，添加了復(fù)合處理?xiàng)l件下Stocks-Einstein方程的修正系數(shù)。無(wú)論合金中的Zr處于何種狀態(tài)，復(fù)合處理都能進(jìn)一步增大砂型鑄造Mg-Gd-Y合金α-Mg的形核過(guò)冷度，細(xì)化α-Mg晶粒。熱力學(xué)分析表明，復(fù)合處理增大了砂型鑄造Mg-Gd-Y合金液-固轉(zhuǎn)變過(guò)程中體系自由能的變化(ΔGv)、降低了液態(tài)原子團(tuán)簇靜電斥力勢(shì)能(UR)、提高了液態(tài)原子團(tuán)簇的碰撞頻率、增加了α-Mg臨界原子團(tuán)簇?cái)?shù)量，

13、減小了α-Mg臨界晶核尺寸(r0)，從而降低α-Mg臨界原子團(tuán)簇轉(zhuǎn)變“能壘”，繼而提高α-Mg形核率(I*)。動(dòng)力學(xué)分析表明，α-Mg自由晶主要來(lái)自熔體液面，脈沖電流能夠加速α-Mg自由晶的下落。隨著冷卻速率由1.32℃/s降低至0.97℃/s時(shí)，Zr與脈沖電流復(fù)合處理對(duì)砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金的晶粒細(xì)化效率由21.5%提高至26.1%。復(fù)合處理?xiàng)l件下，Gd、Y、ZrS溶質(zhì)原子與固/液界面之間粘度的增大降低了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)(

14、由*iD降為Di)，此時(shí)，溶質(zhì)原子的實(shí)際遷移速率(Vi)的表達(dá)式為：此處為公式，a為修正系數(shù)且0　　探索了復(fù)合處理方法在砂型鑄造Mg-Gd-Y合金某型號(hào)鑄件試制過(guò)程中的應(yīng)用。工業(yè)試驗(yàn)表明，相對(duì)于單獨(dú)加Zr處理，Zr與脈沖電流復(fù)合處理能夠進(jìn)一步細(xì)化砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金α-Mg晶粒、抑制縮松、提高合金致密度，提高砂型鑄造Mg-10Gd-3Y合金-T6的強(qiáng)度與塑性。合金力學(xué)性能的提高歸功于α-Mg晶粒細(xì)化以及α-