原位自生高硅Mg-Zn-Si基復(fù)合材料的制備及高溫性能研究.pdf

1、具有比強(qiáng)度高、比剛度高、抗蠕變等性能的鎂基復(fù)合材料,在汽車、通訊、航空航天等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,其中原位自生的高體積分?jǐn)?shù)Mg2Si增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料已成為研究熱點(diǎn)。本論文首先綜述了自生和外加增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展,用OM、SEM、EDS、TEM、XRD、圖像分析軟件和電子高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)等多種現(xiàn)代分析測(cè)試手段,并結(jié)合理論分析計(jì)算,研究了單元和復(fù)合合金化對(duì)初生和共晶Mg2Si變質(zhì)的機(jī)理,高能超聲細(xì)化分散Mg2Si的作用機(jī)理,較系統(tǒng)地

2、研究了原位自生高硅Mg-Zn-Si基復(fù)合材料的合金化與高能超聲攪拌的復(fù)合制備工藝、凝固特征、熱處理、室溫與高溫力學(xué)性能、高溫蠕變機(jī)制等。
　　 單元合金化對(duì)復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)影響的研究結(jié)果表明,Ba或Ca單元合金化均可將復(fù)合材料中初生粗大樹枝狀Mg2Si(>100μm)及漢字狀共晶Mg2Si細(xì)化變質(zhì)為多面體顆粒(<20μm)。隨Ba或Ca含量增加,初生Mg2Si的尺寸及共晶Mg2Si的數(shù)量、尺寸均先減小后增大。Ba和Ca主要富集

3、在Mg2Si生長(zhǎng)前沿起毒化作用,且Ba還形成了能作為Mg2Si異質(zhì)核心的細(xì)小BaMg2Si2。但二者含量過高會(huì)形成粗大CaMgSi相或針狀Ba2Mg3Si4相,導(dǎo)致過變質(zhì)現(xiàn)象。
　　 復(fù)合合金化變質(zhì)的研究結(jié)果表明,Ca+Sb、Ba+Sb合金化對(duì)Mg2Si相細(xì)化變質(zhì)的效果優(yōu)于單元合金化。隨合金元素含量上升,Mg2Si晶粒尺寸下降。最佳二元合金化成分分別為0.4％Ca+1.0％Sb、1.0％Ba+1.0％Sb,此時(shí)Mg2Si變質(zhì)為約

4、15μm的顆粒。復(fù)合變質(zhì)細(xì)化機(jī)理是分別形成了可作為Mg2Si異質(zhì)核心的CaMg2Sb2及Ba2Sb。Ca+Ba+Sb+Sn復(fù)合合金化可獲得更佳的細(xì)化變質(zhì)效果,這是由于優(yōu)先形成的Ba2Sb可作為Mg2Si的異質(zhì)核心,同時(shí)Ba、Ca起到毒化作用。
　　 高能超聲可將復(fù)合材料中的樹枝狀Mg2Si轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝骟w顆粒并使之細(xì)化分散。隨著超聲時(shí)間增長(zhǎng)及超聲功率的增強(qiáng),初生Mg2Si晶粒逐漸細(xì)化并圓角化；隨超聲溫度上升,初生Mg2Si晶粒先變小

5、后增大。高能超聲增強(qiáng)了毛細(xì)現(xiàn)象與聲流沖擊而起到分散作用；超聲振動(dòng)改變了Mg2Si生長(zhǎng)的凝固條件并加劇金屬液對(duì)其沖刷,而使之變?yōu)轭w粒狀并抑制其長(zhǎng)大速率。
　　 復(fù)合材料的T6、T14熱處理研究結(jié)果表明,固溶過程中共晶Mg2Si發(fā)生溶斷并球化；時(shí)效析出相包括MgZn’、MgZn2及Mg2Sn。優(yōu)化的T6工藝為:400℃固溶處理20h后淬火再在200℃時(shí)效10 h。
　　 高低溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果表明,合金化或超聲振動(dòng)均可明顯提

6、高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率。單元和二元合金化復(fù)合材料的拉伸性能隨合金含量增加先上升后下降。隨Mg2Si轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀,復(fù)合材料的常溫拉伸斷裂方式由準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂特征明顯的混合斷裂。高能超聲處理復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度及延伸率隨超聲時(shí)間和功率上升而增大；隨超聲溫度上升先上升后下降。根據(jù)材料的組織及拉伸性能,合金化元素含量?jī)?yōu)化為0.4％Ca、1.0％Ba、0.75％Sb、3.0％Sn；超聲工藝參數(shù)優(yōu)化為:超聲時(shí)間60 s、超聲溫度6

7、80℃、超聲功率0.6 kW。
　　 四元合金化與高能超聲優(yōu)化工藝相結(jié)合復(fù)合制備的材料其微觀組織和拉伸性能得到進(jìn)一步改善,其中的Mg2Si呈分布均勻的細(xì)小顆粒(尺寸約10μm),且T6熱處理態(tài)試樣在常溫及150℃下的抗拉強(qiáng)度為211 MPa、185 MPa,延伸率為7.3％、12％,分別為鑄態(tài)ZS64合金的220％、208％、235％和176％。
　　 高溫蠕變性能研究結(jié)果表明,優(yōu)化的成分及超聲工藝制備所得的復(fù)合材料抗蠕