熔體處理及合金化對(duì)Mg-Al合金組織與力學(xué)性能的影響.pdf

1、Mg-Al合金廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子工業(yè)以及航空航天等領(lǐng)域。本文針對(duì)Mg-Al合金普遍存在的熔體含氣、組織粗大和高溫強(qiáng)度低等問(wèn)題，以工業(yè)上最常用的AZ91合金為研究對(duì)象，利用Ar旋轉(zhuǎn)噴吹技術(shù)對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行了除氣凈化處理；開發(fā)了Ar+CO2旋轉(zhuǎn)噴吹Mg-Al合金細(xì)化工藝，優(yōu)化了Mg-Al合金Ar+CO2細(xì)化工藝參數(shù)；同時(shí)通過(guò)添加高熔點(diǎn)的稀土Gd來(lái)提高鎂合金的高溫性能。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等手段系統(tǒng)地研究了旋轉(zhuǎn)噴吹除氣、細(xì)

2、化以及稀土Gd合金化對(duì)AZ91合金組織的影響。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，研究各因素對(duì)力學(xué)性能的影響。得到如下結(jié)果：
　　建立了鎂合金Ar旋轉(zhuǎn)噴吹除氣效率的理論模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論模型的可行性，并對(duì)影響除氣效率的主要因素進(jìn)行了理論分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明280r/min為最佳的除氣轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)噴吹除氣是一種高效的鎂合金熔體凈化方法，這種方法比傳統(tǒng)的利用MgCO3和C2Cl6的除氣效率高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)定性研究了鎂合金熔體中氫

3、對(duì)鑄態(tài)組織的影響，結(jié)果表明：熔體中氫含量高導(dǎo)致鎂合金鑄態(tài)組織中存在大量縮松。因而顯著降低鑄態(tài)和熱處理態(tài)力學(xué)性能，所以減少合金熔體中的氫含量可以顯著地提高合金的力學(xué)性能，特別是伸長(zhǎng)率，同時(shí)也可以提高合金的蠕變性能。在金屬型鑄造條件下，旋轉(zhuǎn)噴吹除氣處理后(45min)合金的拉伸強(qiáng)度提高了25.9％、伸長(zhǎng)率提高了84%，蠕變激活能由除氣前的78kJ/mol增加到108.9kJ/mol，應(yīng)力指數(shù)由2.4增加到6.5。
　　發(fā)展了一種Ar+

4、CO2旋轉(zhuǎn)噴吹Mg-Al合金熔體綜合處理工藝，該工藝不僅對(duì)Mg-Al合金具有細(xì)化作用，而且具有除氣效果。對(duì)細(xì)化的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：最佳的細(xì)化工藝參數(shù)是總氣體流量為1000ml/min，CO2氣體流量為300ml/min，旋轉(zhuǎn)噴吹的時(shí)間為45min。該工藝可以使AZ91合金的鑄態(tài)晶粒尺寸從原來(lái)的296μm細(xì)化到62.5μm。對(duì)該工藝細(xì)化機(jī)理的分析認(rèn)為：Al4C3在AZ91合金熔體中具有最小的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，Al4C3相與鎂合金

5、基體的錯(cuò)配度僅為4.05%，而且與α-Mg的潤(rùn)濕角為24.7°，因此認(rèn)為Al4C3具有作為α-Mg異質(zhì)形核的熱力學(xué)、晶體學(xué)和物理學(xué)條件，最有可能成為α-Mg的形核質(zhì)點(diǎn)，達(dá)到細(xì)化Mg-Al合金的效果。Ar+CO2旋轉(zhuǎn)噴吹細(xì)化工藝存在細(xì)化效果衰退現(xiàn)象，在保溫40min之內(nèi)衰退不明顯，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)化衰退逐漸加劇，但保溫時(shí)間達(dá)到300min細(xì)化效果還未完全消失。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明：細(xì)化使AZ91合金的拉伸強(qiáng)度提高了11.5%，伸長(zhǎng)率

6、提高了20.8%，屈服強(qiáng)度提高了17.7%。
　　為了提高AZ91合金的高溫強(qiáng)度，研究了稀土Gd對(duì)AZ91合金微觀組織、室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能的影響。TEM分析表明：在晶粒內(nèi)部、晶界以及在β-Mg17Al12中存在大量面心立方的Al2Gd相。SEM觀察表明：生成Al2Gd相使共晶反應(yīng)的β-Mg17Al12減少，并且使原來(lái)粗大的離異共晶變得細(xì)小彌散。DTA分析表明這種金屬間化合物在783K附近產(chǎn)生，而且加入Gd元素可以增加基體的

7、穩(wěn)定性。但是，稀土Gd的加入能造成AZ91合金鑄態(tài)組織晶粒粗化，使合金的晶粒尺寸從未加入Gd元素的170μm增加到215μm。室溫和高溫力學(xué)性能測(cè)試顯示：稀土Gd含量在0-0.6wt.%的范圍內(nèi)合金的室溫和高溫性能隨著Gd含量的增加而增加，當(dāng)繼續(xù)增加稀土含量時(shí)合金的室溫及高溫性能均下降。向AZ91合金中加入0.6wt.%Gd，可以使鑄態(tài)合金的伸長(zhǎng)率較AZ91增加了39%，但是室溫強(qiáng)度增加不明顯；并使合金423K時(shí)的高溫強(qiáng)度由加入前的16