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文檔簡介
1、作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,Mg-AL系合金常被應(yīng)用在汽車工業(yè)中以替代其他金屬材料,但是,Mg-Al系合金較低的強度和塑性變形能力限制了其廣泛應(yīng)用。對Mg-Al系鑄態(tài)合金進行晶粒細化可同時提高其強度和塑性,但至今仍沒有一種可工業(yè)應(yīng)用的高效晶粒細化劑。另外,準(zhǔn)確把握Mg-Al系合金碳質(zhì)孕育法、合金化法和FeCl3法的晶粒細化機理可為有效控制該合金晶粒尺寸提供重要幫助,但上述機理尚不明確。因此,制備一種優(yōu)良晶粒細化劑和探明眾多晶粒細化方法的細化機理具
2、有重要意義。
本文利用高倍視頻光學(xué)顯微鏡(HSVM)、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱分析儀(DSC)、電子探針顯微分析儀(EPMA)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)分析了采用熔體反應(yīng)、粉末冶金和高能球磨制備的Mg-Al系合金含碳晶粒細化劑的相組成、微觀組織及細化行為,分析了碳質(zhì)孕育法的晶粒細化機理,研究了Mn、Ce和Fe對Mg-Al系合金富錳相轉(zhuǎn)變和晶粒尺寸的影響。本文的主要研究工作如下:
3、 (1)Mg-Al系合金含碳晶粒細化劑制備及細化行為
向Al-C熔體中引入Ti元素通過熔體反應(yīng)法制備了含有A14C3的Al-Ti-C中間合金(Al-0.6Ti-1C和Al-1Ti-1C),在該中間合金中,TiC顆粒分布在A14C3周圍。中間合金中顆粒相的生成機理是,大部分C首先與Al熔體反應(yīng)生成A14C3:當(dāng)引入Ti后,溶質(zhì)Ti與A14C3反應(yīng)生成TiC,使得Al-C熔體中的A14C3顆粒尺寸減小,其分布得以改善。相比
4、于含有尺寸為15-30umAlC3顆粒的A1-0.6Ti-1C,含有尺寸為4-10umAl4C3顆粒的Al-1Ti-1C對AZ31合金有更高的晶粒細化效率。因此,適量Ti的加入可提高含有A14C3的Al-Ti-C中間合金對AZ31的晶粒細化效率。
采用粉末冶金法制備的Al-C中間合金(Al-1C和Al-2.5C)中,Al4C3和Al(C)固溶體的混合體分布在Al顆粒界面處,呈現(xiàn)出網(wǎng)狀分布的特點。在中間合金制備過程中,部分A
5、l(C)固溶體與Al粉反應(yīng)生成Al4C3,而Al粉和石墨粉的球磨和壓實保證了上述反應(yīng)的進行。含有尺寸為2-3umA14C3顆粒的Al-1C中間合金可有效細化AZ31合金:當(dāng)加入2wt.%該中間合金后,AZ31的晶粒尺寸由580um細化為140um。
采用高能球磨制備A1-25C球磨粉末可有效細化Mg-3A1、AZ31(Mg-3A1-1Zn-0.45Mn)和AZ63(Mg-6A1-3Zn-0.35Mn):當(dāng)加入0.4wt%該
6、粉末后,Mg-3A1晶粒尺寸由400μm細化為120μm,AZ31晶粒尺寸由850μm細化至180μm,AZ63晶粒尺寸由650μm減小為170μm。AI-25C球磨粉末在710.4℃下可反應(yīng)生成A14C3,當(dāng)被引入到鎂合金熔體中后,會生成A14C3相。在碳細化Mg-3A1中,細小的A14C3顆粒充當(dāng)了初晶a-Mg的異質(zhì)形核襯底。
(2) Mg-A1系合金中富錳相轉(zhuǎn)變及其對a-Mg晶粒尺寸的影響
采用Mg-0
7、.72Mn進行Mn合金化不能明顯改變Mg-3A1合金的晶粒尺寸。Alo.89MnLll顆粒是Mg-3A1-0.3Mn、Mg-3A1-0.4Mn、Mg-3A1-0.5Mn合金中的主要富錳相,并分布在初晶a-Mg基體內(nèi)或枝晶間區(qū)域,且隨Mn含量提高富錳相顆粒數(shù)量逐漸增加。但上述三種合金與Mg-3A1合金的晶粒尺寸維持在390μm左右,表明Alo.89Mn1.11不是初晶a-Mg的有效異質(zhì)形核襯底。
富錳相在碳細化Mg-Al-Z
8、n-Mn合金中的異質(zhì)形核襯底形成中起到重要作用,該合金的碳細化機理歸因于雙相形核:在碳細化AZ31(AZ63)中,表層包裹有A14C3的Alo.89Mn1.11(或A18Mn5)分別充當(dāng)了初晶a-Mg的異質(zhì)形核襯底,并且界面相A14C3充當(dāng)了初晶a-Mg的直接異質(zhì)形核襯底。
Ce合金化可有效細化AZ31:當(dāng)加入0.4wt.%Ce時,AZ31晶粒尺寸由850μm減小為450μm。Ce的晶粒細化作用是由于在合金凝固過程中,Ce
9、在液-固界面前沿富集產(chǎn)生成分過冷,并阻礙了溶質(zhì)擴散從而限制了晶粒長大。聯(lián)合添加Ce和C降低了碳質(zhì)孕育法對AZ31的晶粒細化效率。Ce促使合金中的富錳相發(fā)生了轉(zhuǎn)變,即促使了Al10Ce2Mn7的生成,而抑制了Alo.89Mn1.11的生成,這阻礙了充當(dāng)初晶a-Mg有效形核襯底的表層包裹有A14C3的Alo.89Mn1.11的雙相形核顆粒的形成。
向AZ31合金熔體中引入FeCI3使AZ31發(fā)生了輕微的晶粒粗化,并使合金中的富
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