合金元素在鎂合金中擴(kuò)散行為的研究.pdf

1、由于輕量化和節(jié)能的要求，鎂合金在汽車和航空航天工業(yè)中越來越受到人們的關(guān)注。在鎂合金的凝固、熱處理和沉淀析出過程中的組織演變與擴(kuò)散息息相關(guān)，另外擴(kuò)散對(duì)鎂合金的其他宏觀性能也起重要的作用，如塑性變形、鑄造性能、高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。因此，需要準(zhǔn)確的擴(kuò)散數(shù)據(jù)來指導(dǎo)鎂合金的加工制備過程。然而，由于鎂合金表面易腐蝕和易氧化，導(dǎo)致鎂合金的擴(kuò)散偶制備難度特別大，因此，鎂合金擴(kuò)散相關(guān)的研究報(bào)道較少。
　　本文利用擴(kuò)散偶的方法，通過掃描電鏡（SEM

2、）、能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）等分析表征手段，系統(tǒng)的研究了合金元素在鎂合金中的擴(kuò)散行為和金屬化合物的形成過程。主要結(jié)果如下：
　　利用固/固和固/液擴(kuò)散偶方法研究Mg-40Al與Mg-X(X=20Ca、20Ce、20La、30Nd、30Y)鎂中間合金組成的擴(kuò)散偶在350-400 ℃和475-525 ℃之間的合金元素的擴(kuò)散行為和界面處Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)金屬化合物的形成過程。在固/固和固/液擴(kuò)散偶的

3、界面處都有明顯的擴(kuò)散層生成。在固/固擴(kuò)散偶中原始界面將擴(kuò)散層分成兩層，靠近Mg-40Al基體的反應(yīng)層為貧鋁層，靠近Mg-X(X=20Ca、20Ce、20La、30Nd、30Y)基體為金屬化合物層，但是在固/液擴(kuò)散偶中，擴(kuò)散層組織均勻，沒有分層現(xiàn)象。在固/固和固/液擴(kuò)散過程中，Al均為主要的擴(kuò)散元素，Al越過原始界面擴(kuò)散到Mg-X(X=20Ca、20Ce、20La、30Nd、30Y)基體中，并分別與Ca、Ce、La、Nd、Y反應(yīng)，生成Al

4、-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)的金屬化合物，而Ca、Ce、La、Nd和Y均未越過原始界面向Mg-40Al基體擴(kuò)散。在固/固擴(kuò)散偶中，利用Miedema模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)在Mg-Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)三元體系中的Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)二元金屬化合物的生成焓最低。在固/液擴(kuò)散偶中，利用修正的準(zhǔn)化學(xué)模型(MQM)模型計(jì)算了 Mg-Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)三元體系中二元金屬化合物的吉布

5、斯自由能，結(jié)果表明，Al-Ca、Al-Nd、Al4X(X=Ce、La、Y)、Al11X3(X=Ce、La、Y)、Al3X(X=Ce、La、Y)和Al2X(X=Ce、La、Y)金屬化合物的吉布斯自由能比其他二元金屬化合物的吉布斯自由能低。在固/固和固/液擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散層的生長均符合拋物線生長規(guī)律。在固/固擴(kuò)散偶中，擴(kuò)散層厚度規(guī)律為：dY>dNd>dCe>dLa>dCa，Al元素在各擴(kuò)散偶的擴(kuò)散層中的擴(kuò)散系數(shù)大小規(guī)律為：Int,Total

6、CaInt,TotalLaInt,TotalCeInt,TotalYInt,TotalNd DDDDD????。在固/液擴(kuò)散偶中，擴(kuò)散層厚度規(guī)律為：dY>dNd>dCe>dLa>dCa。Al在各擴(kuò)散偶的擴(kuò)散層中互擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10-10-10-11，且大小規(guī)律為：IntCaIntLaIntCeIntNdIntYD?D?D?D?D。
　　研究了原子尺寸效應(yīng)對(duì)合金元素在鎂合金擴(kuò)散行為的影響。在Mg-40Al鎂中間合金與合金元素的原

7、子半徑不同的鎂中間合金Mg-20X(X=Cu、Y、Nd、Ce、La、Gd、Ca、Sr)組成的擴(kuò)散偶中，當(dāng)rCu

8、， Mg-40Al基體中的 Al元素向Mg-20X(X=Y、Nd、Ce、La、Gd、Ca、Sr)基體擴(kuò)散，導(dǎo)致貧鋁層的形成，隨著鎂中間合金的合金元素的原子半徑增加，擴(kuò)散層的厚度逐漸減少：dY>dNd>dCe>dLa>dGd>dCa>dSr，且擴(kuò)散層的生長常數(shù)與鎂中間合金的合金元素的原子半徑滿足lnk=A+exp(B-Cr)(k為生長常數(shù)，A、B和C為常數(shù))關(guān)系，擴(kuò)散層生長的激活能分布在y=2.509x-394.989直線的兩側(cè)，且總體呈

9、上升的趨勢(shì)。
　　利用擴(kuò)散偶的方法研究了雜質(zhì)元素Fe和Cu在鎂中的擴(kuò)散行為，進(jìn)一步的揭示鎂熔體中Mn元素的除鐵機(jī)制，獲得了較為全面的Cu在Mg中的擴(kuò)散數(shù)據(jù)。在鎂熔體中， Mn元素的添加對(duì)Fe在鎂熔體中擴(kuò)散行為以及擴(kuò)散偶界面組織有明顯的影響，隨著Mn含量的增加，擴(kuò)散偶界面處的擴(kuò)散層厚度增加，F(xiàn)e在鎂熔體中的擴(kuò)散系數(shù)減少，界面處的擴(kuò)散層有效的阻礙了 Fe原子向鎂熔體中擴(kuò)散。針對(duì)上述機(jī)理，利用45＃鋼坩堝熔煉Mg的過程中向添加2wt.％

10、Mn元素，發(fā)現(xiàn)Mn元素的添加能有效的降低Mg熔體中的Fe含量；利用ZGMn13坩堝熔煉Mg的過程中，ZGMn13坩堝中的Mn元素向鎂熔體中擴(kuò)散并析出形成薄的過渡層，阻礙ZGMn13坩堝中的Fe元素向Mg熔體中擴(kuò)散，有效降低鎂熔體中的Fe含量。在400-460 ℃下，Mg/Cu擴(kuò)散偶中發(fā)現(xiàn)有MgCu2和Mg2Cu兩種金屬化合物形成，而且擴(kuò)散層的生長滿足拋物線規(guī)律。利用Heumann-Matano方法計(jì)算了MgCu2和Mg2Cu金屬化合物的