粉末熱擠壓制備高性能鎂合金研究.pdf

1、鎂合金具有高比強(qiáng)度、比剛度,良好的阻尼減震性,優(yōu)良的機(jī)加工性能和易于回收利用等優(yōu)點(diǎn),被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)工程材料”,是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外材料界研究的熱點(diǎn)之一。進(jìn)一步提高鎂合金的綜合性能,滿(mǎn)足某些結(jié)構(gòu)件“以鎂代鋁”甚至“代鋼”的性能要求；改善鎂合金的塑性、減少各向異性,顯著改善其塑性成形能力；簡(jiǎn)化鎂合金制品的制備工藝,降低其生產(chǎn)成本,擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍,是國(guó)內(nèi)外研究的主要方向。
　　 本課題從細(xì)化晶粒提高鎂合金力學(xué)性能角度出發(fā)

2、,采用離心霧化法制備ZK60及AZ91合金粉末,顯著細(xì)化粉末組織,減少成分偏析,擴(kuò)展合金元素在基體中的固溶度；針對(duì)快速凝固/粉末冶金(RS/PM)制備工藝繁瑣、成本高昂等不足,結(jié)合粉末特性及粉末熱擠壓數(shù)值模擬結(jié)果,提出一種短流程、適于工業(yè)化生產(chǎn)的快速凝固/粉末冶金(RS/PM)簡(jiǎn)化工藝,并成功制備出超細(xì)晶ZK60及AZ91高性能鎂合金。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地研究了擠壓溫度對(duì)超細(xì)晶材料組織及性能(如強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性等)的影響,并分別對(duì)合金

3、細(xì)化機(jī)制、熱穩(wěn)定性、氧化粒子引入及強(qiáng)化機(jī)制等進(jìn)行細(xì)致研究。
　　 離心霧化法所得ZK60及AZ91合金粉末球形度高、表面光潔,冷卻速度高達(dá)104～10SK/s。研究結(jié)果表明,合金粉末的組織主要為等軸晶,晶界上分布著細(xì)小的第二相,快速凝固的急冷作用致使合金粉末的晶粒度及第二相尺寸比傳統(tǒng)鑄錠法的組織更為細(xì)小,分布均勻性顯著改善,同時(shí)基體處于過(guò)飽和固溶態(tài)。RS合金粉末表面自然氧化膜主要由2nm MgO膜及0.5nm污染層構(gòu)成,在100

4、～200℃下短時(shí)加熱,氧含量變化不大。在空氣氣氛下雙向溫壓5～10min可制備出相對(duì)密度0.8～0.9的ZK60、AZ91粉末生坯,有效地回避了包套、真空除氣等工序,降低能耗及制備成本。
　　 采用粉末擠壓有限元數(shù)值模擬對(duì)模具結(jié)構(gòu)和擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明,凹模塑性變形區(qū)和縮頸區(qū)對(duì)粉末起同樣致密化作用,前者使粉末發(fā)生大塑性變形,后者則使粉末完全焊合；模具入口角θ=60°,凹模過(guò)渡角半徑r=2mm時(shí)試棒在保持較高的變形量時(shí)應(yīng)

5、變分布均勻；適量的摩擦對(duì)獲得均勻應(yīng)變并保持較大變形量是積極有利的；大擠壓速度(≥10mm/s)、高擠壓溫度會(huì)導(dǎo)致擠壓件表面出現(xiàn)缺陷；生坯的初始相對(duì)密度對(duì)擠壓致密效果無(wú)明顯的影響。
　　 RS/PM簡(jiǎn)化技術(shù)制備所得ZK60及AZ91合金,晶粒度0.3～2.1μm,其中ZK60合金拉伸強(qiáng)度高達(dá)348～424MPa,延伸率9～22％；而AZ91合金中存在彌散第二相“釘扎”晶界,拉伸強(qiáng)度更佳(363～516MPa)。隨擠壓應(yīng)變?cè)黾?粉末

6、發(fā)生宏觀變形并最終焊合,粉末表面氧化膜被破碎成納米氧化粒子彌散分布于焊合部位,對(duì)合金起到一定復(fù)合強(qiáng)化作用；微區(qū)細(xì)化機(jī)制以連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主,旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為輔,鎂合金中第二相的細(xì)化機(jī)制主要為機(jī)械破碎。同時(shí)發(fā)現(xiàn)超細(xì)晶ZK60合金的熱穩(wěn)定性與擠壓溫度密切相關(guān),低于擠壓溫度保溫1h時(shí),組織發(fā)生回復(fù)及再結(jié)晶,但晶粒長(zhǎng)大甚微；隨著退火溫度提高,則晶粒長(zhǎng)大明顯；RS/PM合金的強(qiáng)化來(lái)源于晶粒細(xì)化、織構(gòu)強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化三種機(jī)制的疊加效應(yīng)。