Mg-Al鑄造合金晶粒細化和時效析出相改性的研究.pdf

1、Mg-Al系鎂合金是應用最廣泛的鎂合金體系，一直以來都是研究的熱點。然而在Mg-Al系鎂合金的應用和研究中，仍存在一些問題尚未解決，其中包括Mg-Al系鎂合金的晶粒細化和非連續(xù)析出相改性。由于Al元素與Zr元素之間有很強的化學結(jié)合能力，Mg-Al系鎂合金不能使用添加Zr的方式實現(xiàn)細化，且至今仍沒有實現(xiàn)其晶粒細化的有效手段。另外，Mg-Al系鎂合金有很好的時效強化潛能，但由于其時效析出相中非連續(xù)析出相比例較高，導致合金塑性降低，性能提高有

2、限，因此生產(chǎn)中通常不對 Mg-Al系鎂合金做時效處理。本文關注上述 Mg-Al系鎂合金中的兩個未解決難題，系統(tǒng)研究了Sm元素對Mg-Al合金晶粒細化的影響，以及Cu元素對Mg-9Al合金晶粒細化和時效析出行為的影響，主要結(jié)論如下：
　　(1) Sm元素會對Mg-Al合金中自發(fā)存在的異質(zhì)形核顆粒Al-C-O(及Al-Fe-C-O)產(chǎn)生毒化作用，使其失去作為形核質(zhì)點的能力。因此，當少量Sm加入Mg-Al合金中時，將導致合金晶粒顯著粗化

3、。當Mg-Al合金中Sm的加入量足夠多時，在合金凝固過程中有Al2Sm顆粒先于α-Mg形成，并作為α-Mg的非均勻形核從而顯著細化Mg-Al合金晶粒。E2EM模型計算結(jié)果表明，Al2Sm與α-Mg之間的錯配度僅為1.1%，可作為α-Mg的非均勻形核核心。
　　(2)顯微組織統(tǒng)計結(jié)果表明，Mg-3Al-2Sm合金中超過80%的Al2Sm顆粒起到了α-Mg的非均勻形核核心的作用，此比例遠高于常規(guī)Al合金和 AZ91合金中的1～2%。前

4、期“Interdependence Theory”研究表明，常規(guī)Al合金和AZ91合金中異質(zhì)形核顆粒有效率較低與晶粒凝固前沿形成的“Nucleation Free Zone”(NFZ)密切相關，NFZ抑制了所在區(qū)域內(nèi)異質(zhì)顆粒的形核作用。與 Interdependence Theory描述的過程不同，本文提出以 Al2Sm顆粒為形核核心的形核過程中不出現(xiàn)NFZ。Al2Sm顆粒在鎂合金熔體中原位形成過程中，其周圍形成貧溶質(zhì)區(qū)，貧溶質(zhì)區(qū)內(nèi)的L

5、→α-Mg平衡相變溫度高于其它區(qū)域，因此凝固過程中，貧溶質(zhì)區(qū)內(nèi)會優(yōu)先產(chǎn)生過冷度，促進了α-Mg在Al2Sm顆粒表面形核，從而產(chǎn)生晶粒細化效果。
　　(3)向Mg-9Al合金中添加少量Cu元素(0.2-0.5wt.%)將導致晶粒粗化；當Cu加入量≥1wt.%時，合金晶粒才會被細化。0.2 wt.%-Cu元素的加入可促進Mg-9Al合金中連續(xù)析出過程，顯著增加連續(xù)析出相密度，同時抑制非連續(xù)析出過程，降低非連續(xù)析出相含量，進而顯著提高時

6、效后合金的力學性能。
　　(4)基于第一性原理和經(jīng)典形核-生長理論模型的計算結(jié)果表明，Cu元素的加入能夠顯著提高Mg-9Al合金中固溶原子與空位的結(jié)合能，并顯著降低Al元素擴散過程中的勢壘，提高固溶處理后合金中的空位密度，提高Al元素在合金中的擴散速率，從而促進連續(xù)析出過程并抑制非連續(xù)析出過程。此外，第一性原理的計算還表明，Al-Cu原子對的結(jié)合能高于Al-Al原子對的結(jié)合能，側(cè)面說明Cu元素加入后傾向于與 Al原子形成微觀偏聚，