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1、鎂合金作為實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,在航空航天、電子通信以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,但是鎂合金自身存在強(qiáng)度低、抗氧化性能差以及高溫抗蠕變性能差等問題,限制了其作為某些結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。二十面體準(zhǔn)晶相(I-phase)由于其特殊的結(jié)構(gòu)而使其具有高熱力學(xué)穩(wěn)定性、高硬度、高強(qiáng)度等性能,它作為一種增強(qiáng)相可顯著提高鎂合金的力學(xué)性能,為鎂合金強(qiáng)化提供了一種新途徑。
本文首先采用常規(guī)鑄造法制備了 Mg-Zn-RE(Y、Nd)準(zhǔn)晶中
2、間合金,研究了合金元素含量和冷卻速度對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響,分析了熱處理過程中的組織變化規(guī)律以及準(zhǔn)晶相的熱穩(wěn)定性,探討了二十面體準(zhǔn)晶相的形成機(jī)制和生長(zhǎng)方式。其次,采用擠壓鑄造法制備了含 I-phase的Mg-Zn-Nd合金,研究了擠壓壓力對(duì)合金顯微組織和硬度的影響。最后,以AZ91D合金為基體,采用擠壓鑄造法制備了Mg-Zn-Y準(zhǔn)晶增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料,研究了擠壓壓力、澆注溫度以及準(zhǔn)晶中間合金含量對(duì)材料顯微組織和力學(xué)性能的影響,并
3、對(duì)強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了分析。
研究結(jié)果表明,常規(guī)鑄造條件下,Zn、Y含量都會(huì)影響Mg-Zn-Y合金的顯微組織,Y元素的影響比Zn元素顯著。Mg-45Zn-xY合金主要由α-Mg相、I-phase和Mg7Zn3相組成,隨著Y含量的增加,合金中形成了花瓣?duì)顪?zhǔn)晶相,當(dāng)Y含量達(dá)到10.0wt%時(shí),準(zhǔn)晶呈現(xiàn)為多邊形狀,且合金硬度達(dá)到最大值,為89.0HRB;當(dāng) Zn含量為30.0wt%和40.0wt%時(shí),Mg-xZn-2.5Y合金組織主要由α
4、-Mg基體、MgZn枝晶以及層片狀的(α-Mg+Mg7Zn3)共晶組織組成,Zn含量為45.0wt%和50.0wt%時(shí),合金由Mg7Zn3基體、α-Mg枝晶以及(α-Mg+I-phase)共晶組織組成,且Mg-50Zn-2.5Y合金組織中出現(xiàn)了花瓣?duì)顪?zhǔn)晶相,其硬度達(dá)到最大值,為84.5HRB;MgZn6xYx合金主要由α-Mg基體和晶界附近的(α-Mg+I-phase)共晶組織組成,Y含量增加時(shí),共晶組織含量增加,尺寸增大,由不連續(xù)分布
5、轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)分布,基體晶粒細(xì)化,當(dāng)Y含量為2.0at%時(shí),合金的硬度達(dá)到最大值,為54.0HRB;Mg95.1Zn4.2Y0.7合金經(jīng)過400℃熱處理12h后,晶內(nèi)出現(xiàn)了大量彌散分布且高溫穩(wěn)定的準(zhǔn)晶相。
冷卻速度對(duì)Mg-45Zn-10.0Y合金組織有顯著影響。冷卻速度越大,準(zhǔn)晶顆粒尺寸越小,采用1、2、3、4號(hào)模具得到的準(zhǔn)晶尺寸分別為30μm、15μm、12.5μm和9μm;Mg-45Zn-10.0Y合金從表面到心部的顯微組織表
6、明,表面的準(zhǔn)晶數(shù)量較多,尺寸較小,約為35μm,近似花瓣?duì)睿ò昴┒藶槠秸膸缀纹矫?,心部組織中的準(zhǔn)晶大多為多邊形狀,花瓣?duì)顪?zhǔn)晶較少,此時(shí)花瓣?duì)詈投噙呅螤顪?zhǔn)晶的尺寸分別為50μm和20μm。
常規(guī)鑄造Mg-45Zn-xNd、Mg-50Zn-xNd合金的鑄態(tài)顯微組織主要由Mg7Zn3基體、黑色α-Mg枝晶、層片狀(α-Mg+MgZn)組織、Mg40Zn55Nd5二十面體球狀準(zhǔn)晶相和桿狀相組成,Nd、Zn元素含量會(huì)影響合金中三元相
7、的形態(tài);Mg-45Zn-1.5Nd合金的熱處理研究表明,隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng),組織均勻化程度提高,α-Mg枝晶不斷溶解,層片狀組織完全消失,高溫穩(wěn)定的球狀準(zhǔn)晶相含量增加,尺寸減小,合金的硬度和抗拉強(qiáng)度增大,330℃×6h處理后合金的硬度和抗拉強(qiáng)度分別為85.5HRB和168MPa,比鑄態(tài)試樣提高了6.2%和48.7%;擠壓鑄造Mg-45Zn-2.5Nd合金主要由Mg7Zn3基體、α-Mg枝晶、層片狀(α-Mg+MgZn)組織、Mg40Z
8、n55Nd5球狀準(zhǔn)晶相以及 Mg36Zn60Nd4多邊形相組成,當(dāng)擠壓壓力為150MPa時(shí),合金中生成了大量的球狀準(zhǔn)晶相,且硬度達(dá)到最大值,為85.2HRB。
研究結(jié)果表明,Mg-Zn-RE合金中的二十面體準(zhǔn)晶相直接從液相中析出,其中Mg-Zn-Y合金中的準(zhǔn)晶相主要呈現(xiàn)五朵花瓣?duì)?、六朵花瓣?duì)詈投噙呅螇K狀形態(tài),而Mg-Zn-Nd合金中的準(zhǔn)晶相為球狀。
擠壓鑄造法制備得到的Mg-Zn-Y準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的顯微組織主要
9、由α-Mg基體、晶界上分布的β-Mg17Al12相以及 Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶顆粒組成。擠壓壓力增大,鎂基復(fù)合材料的顯微組織細(xì)化,α-Mg樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變,β-Mg17Al12相和Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶相含量增加;隨著澆注溫度的升高,晶界上的β-Mg17Al12組織細(xì)化,α-Mg有長(zhǎng)大趨勢(shì);準(zhǔn)晶中間合金含量也會(huì)影響鎂基復(fù)合材料的顯微組織,當(dāng) Mg-Zn-Y準(zhǔn)晶中間合金含量為5wt%時(shí),組織細(xì)小均勻,部分β-Mg17Al12相斷開,當(dāng)準(zhǔn)晶中間合
10、金含量為3wt%、7wt%和10wt%時(shí),組織不均勻程度增加,均出現(xiàn)了大小晶粒交錯(cuò)的雙峰結(jié)構(gòu)。研究得到的最佳準(zhǔn)晶中間合金含量為5wt%、擠壓壓力為100MPa、澆注溫度為700℃,此時(shí)抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大值,分別為194.3MPa和9.2%。擠壓鑄造制備準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化和準(zhǔn)晶顆粒強(qiáng)化。
本研究為鎂基復(fù)合材料的開發(fā)提供了一種新的增強(qiáng)相和制備工藝:以二十面體準(zhǔn)晶為增強(qiáng)相,采用擠壓鑄造法,優(yōu)化準(zhǔn)晶中
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