高錳含量鎂錳中間合金及高熵鎂合金制備工藝與性能研究.pdf

1、鎂合金是新一代金屬結(jié)構(gòu)材料，具有無污染、無毒、資源豐富、導熱性好、電磁屏蔽性優(yōu)良和易回收等特點。但是鎂以及鎂合金普遍耐腐蝕性差，壓力加工性能差并且力學性能欠佳，這已經(jīng)成為阻礙鎂合金工業(yè)應用的主要原因。如何提高鎂合金的力學性能以及耐蝕性能已經(jīng)成為該領域的研究熱點。目前的研究發(fā)現(xiàn)，提高鎂合金性能的最佳方法是合金化，如加入稀土元素便可提高鎂合金的力學性能和耐蝕性能。但是稀土元素資源稀少而價格昂貴，用廉價金屬代替是鎂合金大規(guī)模工業(yè)應用的關鍵。<

2、br>　　 Mn是目前提高鎂合金耐蝕性的有效元素，且價格較低，資源豐富。Mn能明顯抑制Fe、Ni等雜質(zhì)對鎂合金耐蝕性的破壞，Mn含量越高，F(xiàn)e和Ni等雜質(zhì)的容許極限也越高。Mg-Mn中間合金是用于向鎂合金中添加Mn元素的材料，但是Mn在Mg中的固溶度很低，常用的Mg-Mn中間合金Mn含量不超過3.4wt％，這使得工業(yè)上無法制備Mn含量超過5wt％的高耐蝕鎂合金。國內(nèi)尚未展開對高含Mn量Mg-Mn中間合金制備以及性能的研究。為了推動鎂合

3、金在工業(yè)領域的廣泛應用，本論文以含錳量在10wt％以上的Mg-Mn中間合金為基礎，研究了高含Mn量Mg-Mn中間合金的制備工藝以及工藝參數(shù)對中間合金性能的影響；并在Mg-Mn中間合金的基礎上，制備并研究了高熵鎂合金的力學性能、相組織以及顯微形貌和耐高溫氧化性等性能。
　　 研究發(fā)現(xiàn)：使用攪拌鑄造法可以制得Mn含量在10wt％-12wt％的Mg-Mn中間合金。原材料為純Mg錠和純Mn粉，將Mg錠與Mn粉按照一定比例混合后放入坩堝中

4、，置于中頻電磁感應熔煉爐內(nèi)，通Ar氣保護，融化并攪拌均勻后澆筑于鑄模內(nèi)成為樣品。通過正交試驗獲得最佳工藝為：Mn粉末粒徑為150.00～68.18μm，攪拌4分鐘，銅模空冷，感應熔煉爐工作功率為12.5KW。各工藝參數(shù)對中間合金性能的影響為：Mn粉末粒徑越大，合金中Mn含量越高的，Mn粉末粒徑越小，Mn元素的宏觀均勻性越好；冷卻方式對Mn含量沒有影響，但是對Mn元素的宏觀均勻性有很大影響，使用銅模冷卻的中間合金Mn均勻性最好，石墨坩堝水

5、冷次之，石墨坩堝空冷最差；電磁感應爐的工作功率越大，中間合金的Mn含量以及Mn的宏觀均勻性都會提高，但是功率大導致熔煉溫度太高，增加了原料的燒損以及能源的消耗；電磁攪拌時間應該適當減少，以降低原料的燒損以及能源的損耗。通過自行設計的固-液擴散偶，在963K、983K和1003K溫度下研究了固態(tài)Mn在液態(tài)Mg以及鎂合金中的擴散行為。研究表明，Mn在液態(tài)Mg中的擴散系數(shù)很低，在1003K時達到最大值5.13×10-14m2/s。
　　

6、 高熵鎂合金的制備工藝與Mg-Mn中間合金基本相同。在Mg-Mn中間合金的基礎上，添加Al、Zn和Cu三種組元制備成了Mgx(MnAlZnCu)100-x高熵鎂合金。本論文研究發(fā)現(xiàn)：Mgx(MnAlZnCu)100-x高熵合金具有適中的密度和高的顯微硬度，其密度和硬度均隨著Mg含量的增加而減少。合金在經(jīng)過730K，1小時的熱處理后，硬度幾乎不發(fā)生變化，說明合金具有顯著的熱穩(wěn)定性以及抗高溫軟化能力。Mgx(MnAlZnCu)100-x高

7、熵合金在室溫下的抗壓強度較高，隨著Mg含量的增加，抗壓強度先逐漸增大后迅速減小。通過XRD圖譜發(fā)現(xiàn)Mg20(MnAlZnCu)80合金顯微結(jié)構(gòu)較簡單，主要由基體h.c.p相和花瓣狀的Al-Mn二十面體準晶相組成。Mg33(MnAlZnCu)67-Mg50(MnAlZnCu)50合金顯微結(jié)構(gòu)較復雜，由h.c.p相、Al-Mn二十面體準晶相、Mg和Mg7Zn3組成。
　　 各組元含量的不同會明顯影響合金的硬度、壓縮強度和最大變形量，

8、組元含量的不同會改變合金的顯微形貌，但是對相組織影響不大。合金凝固時的冷卻速度也能明顯影響高熵鎂合金的力學性能和抗高溫氧化性，但是冷卻速度對合金的微觀形貌和相組織沒有明顯的影響。本論文討論了各組元影響合金性能的機理。
　　 本論文從熱力學角度分析了高熵合金體系自由能低，原子擴散困難的原因，并在Miracle的密集簇填充模型基礎上建立了溶質(zhì)原子簇模型。按照建立模型的假設，得到了正四面體和正八面體兩種基本原子簇。這兩種原子簇可組成f

9、.c.c、h.c.p和b.c.c三種點陣結(jié)構(gòu)的晶格，符合目前國內(nèi)外已知試驗所得的結(jié)果。當組元數(shù)達到13時，兩種結(jié)構(gòu)的原子簇的類型數(shù)分別達到51480和2162160，如此眾多的原子簇類型隨機組合，使高熵合金內(nèi)部原子分布混亂度極高。
　　 Mgx(MnAlZnCu)100-x合金的壓縮強度主要受到固溶強化機制和彌散強化機制影響，可以表示為σ=0.41σs+0.59σd。合金中裂紋的擴展主要是沿著脆性相進行，一般不會在Mg基體中擴展