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文檔簡介
1、鎂合金是重要的輕量化結構材料,AZ31鎂合金(以下簡稱“AZ31”)是最常用的變形鎂合金。由于常規(guī)鑄造條件下AZ31晶粒比較粗大,導致其鑄態(tài)力學性能較差,粗大的晶粒還會影響后續(xù)變形加工過程,不利于獲得理想的變形態(tài)組織。這些因素在很大程度上限制了AZ31進一步的推廣應用。因此,開展AZ31的晶粒細化研究具有重要意義。
添加中間合金細化劑是細化鑄態(tài)晶粒的常用方法之一,基于目前眾多學者的研究工作可知,通過Al-Ti-B/C中間合金向
2、AZ31中引入TiAl3、TiB2、Al4C3或TiC相可以使晶粒得到不同程度的細化。然而,中間合金不同的成分配比會導致其相組成的差異,這可能會影響Al-Ti-B/C中間合金對AZ31的晶粒細化能力。探究該問題對AZ31晶粒細化劑的優(yōu)選制備、細化機理的分析都有重要意義,而目前相關的研究報道還比較少。稀土是鎂合金重要的合金元素,具有顯著的阻燃和強化效果。但是,有關稀土元素對AZ31晶粒尺寸的影響及作用機理的研究還比較有限,細化劑與稀土復合
3、添加對AZ31的影響更是未見公開報道。針對這一現(xiàn)狀,本論文通過調(diào)控成分配比制備了6種不同相組成的Al-Ti-B/C中間合金,研究了它們對AZ31晶粒尺寸的影響,確定了其中具有最優(yōu)細化效果的中間合金的相組成;探究了2種稀土元素(Y、Gd)對AZ31鑄態(tài)晶粒尺寸的影響,并對作用機理進行了分析;將具有最優(yōu)細化效果的Al-Ti-B/C中間合金和稀土元素復合添加,研究兩者復合作用下AZ31鑄態(tài)晶粒的細化行為以及細化效果的衰退行為。此外,還進行了中
4、間合金細化劑及稀土對AZ31軋制態(tài)組織(晶粒尺寸、織構),以及鑄態(tài)、軋制態(tài)拉伸力學性能的影響的研究。具體內(nèi)容如下:
(1)采用熔鹽輔助合成法制備了3種Al-Ti-B中間合金:Al-6Ti、Al-5Ti-1B、Al-4.1Ti-1.9B,研究了Ti、B含量對Al-Ti-B中間合金相組成的影響:隨著Ti、B質(zhì)量比減小至2.2(對應TiB2中的Ti、B質(zhì)量比),相組成發(fā)生TiAl3→TiAl3+TiB2→TiB2的轉(zhuǎn)變。不同的相組成
5、對Al-Ti-B中間合金細化AZ31鑄態(tài)晶粒的能力有顯著影響,同時含有TiAl3和TiB2的Al-5Ti-1B可以將AZ31鑄態(tài)平均晶粒尺寸從280μm減小至149μm(細化率46.8%),比Al-6Ti(只含有TiAl3)和Al-4.1Ti-1.9B(只含有TiB2)細化效果更好。這是TiAl3釋放的溶質(zhì)Ti和TiB2顆粒團共同作用的結果。采用熔體中的自蔓延高溫合成法制備了3種Al-Ti-C中間合金:Al-7.8Ti-0.4C、Al-
6、7.3Ti-1.8C、Al-6.1Ti-4.6C,揭示了隨著預制塊中C含量的增加,Al-Ti-C中間合金的相轉(zhuǎn)變規(guī)律:TiAl3+TiC→TiC→TiC+Al4C3,并探究了反應機理。研究了3種不同相組成的Al-Ti-C中間合金對AZ31鑄態(tài)晶粒的細化作用,含有Al4C3和TiC的Al-6.1Ti-4.6C可以將AZ31鑄態(tài)平均晶粒尺寸從280μm減小至109μm(細化率61.1%),比Al-7.8Ti-0.4C(含有TiAl3和TiC
7、)和Al-7.3Ti-1.8C(只含有TiC)細化效果更好,這是由于Al4C3和TiC的異質(zhì)形核作用提高了形核率。添加溶質(zhì)元素和引入形核顆粒都是細化AZ31鑄態(tài)晶粒的有效途徑,兩者同時添加能夠使細化效果得到進一步提升,而理想的形核顆粒對AZ31鑄態(tài)晶粒的細化更加重要。研究了6種Al-Ti-B/C中間合金中細化效果最好的Al-6.1Ti-4.6C對AZ31軋制態(tài)組織的影響:軋制態(tài)晶粒得到細化,但織構并沒有得到弱化。Al-6.1Ti-4.6
8、C的添加還可以使AZ31鑄態(tài)、軋制態(tài)拉伸力學性能得到提升。
(2)研究了Y、Gd元素對AZ31鑄態(tài)晶粒的影響:添加1-3%Y會在AZ31中生成Al2Y相,隨著Y加入量的增多,AZ31鑄態(tài)晶粒呈現(xiàn)先粗化、后細化的變化趨勢。添加1-3%Gd會在AZ31中生成Al2Gd和Al3Gd相,隨著Gd加入量的增多,AZ31鑄態(tài)晶粒同樣呈現(xiàn)先粗化、后細化的變化趨勢。晶粒尺寸的變化是兩方面因素綜合作用的結果:①Y、Gd與Al之間發(fā)生反應消耗了熔
9、體中的Al元素,弱化了Al自身的細化效果,使晶粒發(fā)生粗化;②新生成的Al2RE相在凝固過程中充當異質(zhì)形核基底,提高形核率,實現(xiàn)晶粒細化。相比Y元素而言,Gd元素對AZ31鑄態(tài)晶粒的細化效果更加顯著,3%Gd可以將AZ31鑄態(tài)平均晶粒尺寸從280μm減小至116μm(細化率58.6%),這也會對AZ31軋制態(tài)組織產(chǎn)生影響:軋制態(tài)晶粒尺寸得到細化,織構也有所弱化。AZ31+3%Gd合金鑄態(tài)、軋制態(tài)的拉伸力學性能也得到了提升。
(3
10、)研究了細化效果最好的Al-Ti-B/C中間合金(Al-6.1Ti-4.6C)和Gd復合添加對AZ31鑄態(tài)晶粒的影響:平均晶粒尺寸從280μm減小至78μm(細化率72.1%),比單獨添加Al-6.1Ti-4.6C或Gd時的細化效果更加顯著。實驗結果表明,向AZ31中添加形核顆粒來細化鑄態(tài)晶粒時,增加顆粒相的種類能夠提升細化效果,降低AZ31的最小平均晶粒尺寸。Al-6.1Ti-4.6C和Gd復合添加后,熔體保溫時間在30min以內(nèi)時,
11、晶粒尺寸變化不大,進一步延長保溫時間會使晶粒發(fā)生較明顯的粗化。基于Stokes公式計算和對鑄錠的微觀組織分析得出,Al4C3、 TiC、Al2Gd顆粒的沉降是細化效果衰退的主要原因。研究了復合添加對AZ31軋制態(tài)組織的影響:軋制態(tài)平均晶粒尺寸從30μm減小至4μm,(0002)面的最大極密度從14.484減小至12.609,相比單獨添加,復合添加對軋制態(tài)晶粒的細化、織構的弱化效果更加顯著。復合添加還使AZ31得到了比單獨添加時更加顯著的
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