Mg-Gd-Y-Zr合金切屑固態(tài)回收技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、Mg-RE系鎂合金由于強(qiáng)度高、耐熱和耐腐蝕性能好等特點(diǎn)越來越受到重視，但由于稀土元素價(jià)格昂貴，其廢料回收技術(shù)成為制約其推廣應(yīng)用的一個(gè)重要因素。鎂合金廢料主要包括切屑、邊角料以及廢件等三種形式。其中切屑由于比表面積較大，重熔回收存在嚴(yán)重?zé)龘p、能耗高、環(huán)境壓力和生產(chǎn)成本高、回收材料質(zhì)量差等問題。切屑被歸為低級(jí)廢料范疇，找到一種適合稀土鎂合金切屑的回收方法具有重要的實(shí)際意義。近年來，鋁、鎂有色金屬切屑固態(tài)回收技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該方法具有回收率高、

2、成本低且回收后材料力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。目前稀土鎂合金切屑固態(tài)回收技術(shù)的研究還處于起步階段，主要存在以下問題：1）切屑熱壓工藝主要通過經(jīng)驗(yàn)或大量的實(shí)驗(yàn)摸索而獲得，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；2）切屑尺寸相對(duì)較大，表面活性低，大尺寸的切屑在變形過程中的致密化還不清楚；3）與Al、Zn元素相比，稀土元素強(qiáng)化鎂合金的方式較復(fù)雜，鑄態(tài)稀土鎂合金切屑經(jīng)變形后再進(jìn)行T6（固溶+時(shí)效處理）工藝，很難獲得高強(qiáng)稀土鎂合金；4）固態(tài)回收鎂合金室溫延伸率相對(duì)較低，有必要采用新的

3、變形方法提高其室溫塑性。
　　 本文以前期開發(fā)的Mg-9.95wt％Gd-2.3wt%Y-0.46wt%Zr(GW102K)清潔切屑為研究對(duì)象，首先采用液壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行熱壓實(shí)驗(yàn)，以獲得高致密度的熱壓坯料為目標(biāo)，建立了有關(guān)致密度、熱壓溫度、液壓機(jī)工作壓力和工作速度等工藝參數(shù)的熱壓模型，最低能量損耗用來評(píng)估直接和間接回收工藝?？蓭椭こ處熆焖僦贫ㄗ顑?yōu)的粉末（或顆粒）熱壓工藝。研究結(jié)果表明，當(dāng)液壓機(jī)的工作速率(V)是0.1mm/s，熱壓

4、溫度(7)為673K時(shí)，直接回收法熱壓階段總體能量損耗最低。液壓機(jī)的工作速率對(duì)于間接回收法能量損耗沒有影響，其能量損耗僅與熱壓溫度有關(guān)，溫度越低，能量損耗也越低。當(dāng)V為0.1～4.5mm/s，T為580～700K時(shí)，直接回收法在節(jié)約能量消耗方面具有優(yōu)勢(shì)。
　　 熱壓完成后利用單向正擠壓和往復(fù)擠壓兩種變形方式對(duì)熱壓坯料進(jìn)行固態(tài)回收。采用Glccble熱模擬機(jī)、Deform有限元、光學(xué)顯微鏡(OM)、金相圖像分析儀、X射線衍射儀(X

5、RD)、帶能譜分析(EDAX)的掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和背散射技術(shù)(EBSD)等手段系統(tǒng)研究了單向正擠壓回收樣品的顯微組織、力學(xué)性能和腐蝕性能之間的關(guān)系；并利用往復(fù)擠壓方法提高了固態(tài)回收鎂合金的室溫塑性；揭示出大尺寸顆粒材料在高溫塑性變形過程中的致密化機(jī)理；分析和探討了固態(tài)回收稀土鎂合金的強(qiáng)韌化機(jī)制。獲得如下結(jié)果：
　　 研究了切屑在固態(tài)回收過程中的致密化機(jī)理。結(jié)果表明，熱壓階段切屑致密度主要受塑性變

6、形引起的機(jī)械結(jié)合程度所控制，高溫剪切變形是實(shí)現(xiàn)切屑完全致密化的重要因素。切屑表面氧化物在變形過程中，受剪切力作用而發(fā)生脫落或破碎，形成新鮮表面。同時(shí)通過剪切力作用Mg原子發(fā)生自擴(kuò)散引起相鄰新鮮界面的冶金結(jié)合，區(qū)別于粉末在高溫真空燒結(jié)引起的致密化過程?；厥諛悠穬?nèi)部氧化物由細(xì)小的MgO晶體構(gòu)成，切屑表面Mg、O離子擴(kuò)散速率很低。切屑表面存在氧化物，會(huì)阻礙Mg原子在α-Mg中的擴(kuò)散，這也是切屑經(jīng)400℃熱壓仍然無法實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的重要原因。與粉

7、末真空燒結(jié)不同，粗大的顆粒能抑制氧化物的形成，較小克比表面積（即尺寸較大）的切屑在固態(tài)回收過程中相鄰界面更容易發(fā)生冶金結(jié)合。脫落、破碎的氧化物相當(dāng)于制備復(fù)合材料時(shí)引入的增加相分有在晶界或晶內(nèi)。氧化物的尺寸大小和分布特征是影響固態(tài)回收鎂合金塑性的重要因素，細(xì)小、均勻分布的氧化物在相同變形條件下對(duì)固態(tài)回收鎂合金的延伸率影響較小。
　　 基于Doraivelu屈服準(zhǔn)則對(duì)切屑單向正擠壓致密化過程進(jìn)行模擬，并利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，初

8、始致密度為93%坯料，在400℃、擠壓比為20:1變形后切屑能完全致密化，而在擠壓比為2.25:1變形條件下不能實(shí)現(xiàn)完全致密化。在剪切變形過程中隨變形速度增加（或者變形溫度降低），相同位置的質(zhì)點(diǎn)為了達(dá)到相同致密度水平，所受剪切應(yīng)變量要相應(yīng)增加。切屑在300℃實(shí)際致密化水平比預(yù)期值較低的原因是由于其尺寸分布特征，較差的流動(dòng)能力一定條件下減緩了致密化的速度，另外應(yīng)力容易在較大尺寸的切屑表面集中，也影響了致密度分布水平。
　　 以相同

9、變形條件的原始?jí)K體擠壓件為參考，分析討論了單向正擠壓和往復(fù)擠壓兩種變形方式對(duì)固態(tài)回收鎂合金組織演變、力學(xué)和腐蝕性能的影響規(guī)律。β1是峰值時(shí)效時(shí)主要強(qiáng)化相，顯著影響固態(tài)回收GW102K合金室溫力學(xué)性能。固態(tài)回收GW102K的時(shí)效特征曲線相似于參考樣品，變形過程中Mg24(Gd，Y)5稀土化合物的析出，影響峰值時(shí)效時(shí)β1的數(shù)量。與500℃固態(tài)回收樣品相比，400℃未經(jīng)時(shí)效處理硬度值最高，經(jīng)過峰值時(shí)效處理后硬度值最低。對(duì)于高稀土含量鎂合金切屑

10、，利用提高含稀土亞穩(wěn)定相的析出數(shù)目以及防止熱處理導(dǎo)致加工硬化效果消弱的方法，可以制備出高性能的鎂合金材料。在450℃、擠壓比為10:1，再進(jìn)行225℃峰值時(shí)效后固態(tài)回收GW102K切屑表現(xiàn)出優(yōu)良的室溫力學(xué)性能(YS-326.48MPa，UTS-393.95MPa)，高于相同變形條件下的參考樣品，與400℃變形條件下的參考樣品相當(dāng)。
　　 研究了經(jīng)固溶處理后GW102K切屑變形后材料的腐蝕性能。腐蝕產(chǎn)物由平行和垂直于表面的兩類片狀

11、物組成，原始切屑經(jīng)擠壓后沿流線方向分布的氧化物在腐蝕過程中，影響了腐蝕產(chǎn)物的分布形態(tài)，能一定程度減緩腐蝕的進(jìn)行。另外也由于回收樣品晶粒相對(duì)細(xì)化，點(diǎn)蝕現(xiàn)象減弱。在450℃、擠壓比為10:1，再進(jìn)行225℃峰值時(shí)效后固態(tài)回收GW102K合金也表現(xiàn)出優(yōu)良的耐腐蝕性能。
　　 與單向正擠壓相比，往復(fù)擠壓變形能提高固態(tài)回收鎂合金室溫塑性，回收合金的韌性主要依賴于切屑間界面的焊合能力和平均晶粒尺寸。切屑在400℃，6道次往復(fù)擠壓后，獲得小于

12、5μm的等軸晶粒，同時(shí)在拉伸過程中由切屑界面未焊合引起的深裂紋幾乎消失。在450℃，4道次往復(fù)擠壓固態(tài)回收樣品室溫伸長(zhǎng)率為20.73%，表現(xiàn)出良好的韌性。
　　 固態(tài)回收稀土鎂合金強(qiáng)韌化機(jī)制的研究表明，其力學(xué)性能除與致密度有關(guān)外，還受晶粒尺寸、氧化物的分布、第二相的析出、織構(gòu)以及材料熱處理工藝的影響。在滿足一定致密度的基礎(chǔ)上，降低變形溫度，雖導(dǎo)致晶粒尺寸減小、加工硬化作用增加、但造成Mg24(Gd，Y)5第二相析出；而第二相的析