鎂合金自孕育凝固過程及其半固態(tài)流變成形的研究.pdf

1、隨著人們對(duì)節(jié)能減排及對(duì)產(chǎn)品性能要求日益提高，鎂合金在以輕量化為發(fā)展方向的交通、電子等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。傳統(tǒng)鑄造得到的鎂合金產(chǎn)品晶粒及析出相粗大且分布不均衡，使其力學(xué)性能和耐腐蝕性能不夠理想，難以滿足高性能結(jié)構(gòu)件需求;壓鑄是鎂合金零件主要成形工藝，但也存在氣孔缺陷嚴(yán)重、難以熱處理強(qiáng)化等問題。金屬半固態(tài)成形技術(shù)采用了含有細(xì)小、球狀初生固相的固液混合漿料，能有效改善產(chǎn)品微觀組織并減少鑄造缺陷，有望進(jìn)一步解決限制鎂合金應(yīng)用的瓶頸問題。本文以

2、鎂合金凝固組織控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)半固態(tài)流變加工為主要目的，選擇目前廣泛使用的Mg-Al系合金為研究對(duì)象，開展了鎂合金鑄態(tài)組織細(xì)化、非枝晶固液混合漿料快速制備、流變壓鑄成形及后續(xù)熱處理強(qiáng)化方面較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究，研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步完善和創(chuàng)新鎂合金細(xì)晶坯料制備技術(shù)、推動(dòng)鎂合金半固態(tài)流變成形進(jìn)一步應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。主要研究?jī)?nèi)容和獲得的成果如下:
　　從金屬凝固組織控制理論基本原理出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有金屬晶粒細(xì)化技術(shù)的特點(diǎn)，發(fā)展了一種

3、新型的凝固組織控制技術(shù)—自孕育鑄造(Self-inoculation method，SIM)，設(shè)計(jì)制造了SIM相關(guān)設(shè)備并進(jìn)行了一系列熔鑄實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:相比常規(guī)凝固，SIM對(duì)AM60和AZ31合金晶粒大小及二次相形貌均有較好細(xì)化效果，鑄件組織及成分均勻性得到改善;揭示了工藝參數(shù)對(duì)SIM鑄造過程的影響規(guī)律和本質(zhì):熔體處理溫度、孕育劑加入量和導(dǎo)流器傾斜角度共同影響合金熔體的激冷強(qiáng)度和導(dǎo)流器出口處的溫度，只要上述參數(shù)匹配使熔體出口溫度處于液相

4、線附近，便可以極大促進(jìn)晶粒增殖，獲得較好晶粒細(xì)化效果。在此基礎(chǔ)上提出了描述孕育劑熔化狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，建立了SIM工藝參數(shù)和熔體出口溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為優(yōu)化不同合金SIM工藝參數(shù)提供了基礎(chǔ);
　　對(duì)SIM條件下鎂合金半固態(tài)組織形成及演變過程研究認(rèn)為，SIM促進(jìn)了合金凝固初期的晶粒增殖，緩慢冷卻時(shí)合金溫度場(chǎng)較為均勻，所得半固態(tài)組織細(xì)小、圓整，因此高晶粒密度和均勻溫度場(chǎng)是從液相中直接獲得球晶組織的兩個(gè)條件;研究了SIM參數(shù)對(duì)半固態(tài)組織

5、中初生α-Mg形貌影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三個(gè)主要參數(shù)影響規(guī)律基本一致，在保證漿料質(zhì)量的前提下，都具有較寬的可操作范圍，一定程度上提高了制漿的靈活性和可操作性;對(duì)非枝晶初生相形核和生長(zhǎng)特點(diǎn)分析認(rèn)為，孕育劑創(chuàng)造了熔體非均質(zhì)形核所需的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，導(dǎo)流器使熔體整體過冷并產(chǎn)生激冷晶游離，兩者結(jié)合促進(jìn)了熔體“晶粒倍增”，晶粒生長(zhǎng)時(shí)由于液體強(qiáng)迫對(duì)流使合金溫度場(chǎng)均勻，減小了生長(zhǎng)前沿實(shí)際過冷，避免了擇優(yōu)生長(zhǎng);漿料冷卻和保溫時(shí)初生相在界面曲率和表面張力作用

6、分離并逐漸球化，高晶粒密度下晶粒濃度場(chǎng)疊加減小了成分過冷度，使固相在很大程度上保持穩(wěn)定生長(zhǎng)而不失穩(wěn)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間初生相在合并長(zhǎng)大和Ostwald熟化機(jī)制下粗化長(zhǎng)大。
　　不同成形參數(shù)的流變壓鑄成形結(jié)果表明:半固態(tài)漿料液相的凝固行為可以分為二次α-Mg依附長(zhǎng)大、獨(dú)立形核長(zhǎng)大及共晶反應(yīng)三個(gè)階段;增大壓射速度使產(chǎn)品內(nèi)α-Mg尺寸、形狀系數(shù)下降，均勻性提高，降低漿料固相率或增大壓射速度有利于減輕鑄件表層液相偏析;漿料保存時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)品固相

7、率和初生相尺寸越大，同時(shí)圓整度提高，漿料保存溫度越高，產(chǎn)品液相率越高，初生相顆粒尺寸和圓整度下降;氣孔是流變壓鑄AM60產(chǎn)品的主要缺陷，降低壓射速度和提高固相率有利于減少氣孔缺陷，提高產(chǎn)品致密度;產(chǎn)品缺陷較少時(shí)，AM60合金斷裂方式主要為沿二次凝固區(qū)β相的斷裂分離，AZ31合金斷裂分離既發(fā)生在初生相表面，也發(fā)生在初生相內(nèi)部;缺陷較多時(shí)，兩種合金裂紋均首先在氣孔、縮松處產(chǎn)生，之后沿依附生長(zhǎng)的二次α-Mg擴(kuò)展。
　　熱處理結(jié)果表明，固

8、溶處理時(shí)流變壓鑄AM60組織演變可分為兩個(gè)階段:β-Mg17Al12相快速溶解及顆?？焖俅只A段和顆粒正常長(zhǎng)大階段。第一階段β相溶解使二次顆粒迅速長(zhǎng)大，同時(shí)初生顆粒合并二次顆粒快速長(zhǎng)大;第二階顆粒以合并機(jī)制緩慢長(zhǎng)大;過飽和AM60時(shí)效時(shí)以不連續(xù)析出胞形式析出β相，時(shí)效溫度升高，相同時(shí)間內(nèi)不連續(xù)析出胞數(shù)量增多，且在晶界處聚集粗化;AM60抗拉強(qiáng)度和延伸率隨固溶時(shí)間延長(zhǎng)先增大，后減小，400℃固溶16h時(shí)達(dá)到最大值237MPa和13.9％，