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文檔簡介
1、Mg-Al系合金因其輕量特性能夠滿足節(jié)能減排的工業(yè)需求,但是較低的強度和較差的塑性變形能力限制了其應用的進一步發(fā)展。因此,Mg-Al系合金晶粒細化和及其細化劑的制備一直是國內(nèi)外學者研究的熱點。除晶粒細化外,顆粒增強也是提高其力學性能的重要手段。本文制備了一種新型Al-3wt.%C中間合金(以下可簡稱Al-3C,質(zhì)量分數(shù),下同),用于Mg-Al系合金的細化試驗及其機理的研究,并基于此在Mg-Al合金中原位合成了納米Al4C3粒子。分析了A
2、l-3C中間合金的組織形貌及Al4C3生長機制和形貌演變,并研究其對AZ91、AZ63和AZ31合金的細化行為及對AZ91合金力學性能的影響;分析Mg-9Al合金中α-Mg異質(zhì)形核襯底,比較AZ91合金和Mg-9Al中α-Mg的形核物相差異,利用物相提取技術研究AZ91合金中的富Mn相,綜合分析Mn對碳質(zhì)細化的影響,從而明確碳質(zhì)細化機理;利用擴散控制反應法在Mg-Al合金中原位合成納米Al4C3粒子,研究其組織形貌、反應機理及增強效果。
3、
本文的主要研究工作如下:
(1)Al-3C中間合金制備及其在Mg-Al系合金中的應用采用液-固反應法原位合成一種彌散型Al-3C中間合金,克服了鋁與石墨潤濕性差、Al4C3粒子尺寸大且聚集成團等問題,其中Al4C3粒子尺寸多介于1~4μm之間,少量具有亞微米級尺寸,彌散、均勻地分布于鋁基體上。Al4C3晶體的三個密排面為{0001}、{1010}和{1011},其中{1011}晶面具有最快的生長速度,{0001}和
4、{1010}晶面被保留下來成為晶體的外露面,最終Al4C3晶體表現(xiàn)為六角板塊狀形貌,其表面自由能最低。結合晶體生長熱力學和斷口粒子形貌分析,Al4C3晶體在生長過程中的形貌演變過程為:球狀→多面體→六角板塊。Al-3C對AZ91、AZ63和AZ31合金均表現(xiàn)出了良好的細化效果,并且均遵循以下三個規(guī)律:1)高效性:保溫15min,晶粒尺寸可細化至原始尺寸的1/3;2)抗衰退性:保溫至180min,細化效果基本不發(fā)生細化衰退;3)60min
5、最佳效果:保溫60min,細化效果最佳。AZ91合金經(jīng)Al-3C中間合金細化后,不僅獲得細晶組織,也提高了固溶時效的熱處理效果。力學性能方面:布氏硬度提高了10.95%,極限拉伸強度提高了8.59%,同時,延伸率也提高了42.56%。
(2)碳質(zhì)細化Mg-Al(-Mn)合金的形核襯底表征
通過FIB(Focused Ion Beam)制樣避免α-Mg晶粒形核核心物相的水解,然后利用EBSD(Electron Back
6、-Scattered Diffraction)物相分析技術,證實碳質(zhì)細化后α-Mg晶粒的異質(zhì)形核襯底為Al4C3,而且觀察到的形核方式為:Al4C3粒子團而非單個粒子作為α-Mg形核核心。Al4C3在720℃的Mg-Al基合金熔體中保溫24h仍保持其原始晶體結構、形貌和尺寸,其極佳的穩(wěn)定性正是細化效果具有良好抗衰退性的根本原因。
對于含Mn元素的AZ91合金,經(jīng)Al-3C細化后,Al8Mn5會對Al4C3顆粒產(chǎn)生依附行為(析出
7、依附和顆粒依附),對α-Mg在Al4C3襯底上形核產(chǎn)生不利影響。然而在Al4C3粒子團中其它未被依附的粒子仍然可以有效地發(fā)揮形核作用,該粒子團式的特殊形核方式在一定程度上能夠克服Mn元素對形核帶來的負面影響。
(3)基于擴散控制反應法在Mg-Al合金中原位合成納米Al4C3粒子
以Al-C預制體和純Mg組成的擴散偶,通過擴散控制反應法在Mg-Al合金中原位合成了納米Al4C3粒子,其尺寸大都介于50-200nm之間,
8、并以螺旋環(huán)型或是流線型均勻分布在基體上,且對Mg-Al合金增強效果良好,顯微硬度為360.9HV,相較其基體提高了215%。
Al-C預制體于相同的試驗條件進行處理后,微觀組織和物相組成未發(fā)生任何變化,而Al-C預制體與純Mg組成的擴散偶卻發(fā)生充分反應生成大量的納米Al4C3。這是由于界面兩側的Al原子和Mg原子由于化學勢梯度的驅動力作用下發(fā)生下坡擴散,促進界面焊合并改變合金成分,使得擴散偶中產(chǎn)生液相,進而改變了Al和C的反應
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