Al--Ti--B-C中間合金及Y、Gd對AZ31鎂合金晶粒尺寸和力學(xué)性能的影響.pdf

1、鎂合金是重要的輕量化結(jié)構(gòu)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(dǎo)致其鑄態(tài)力學(xué)性能較差，粗大的晶粒還會(huì)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(jìn)一步的推廣應(yīng)用。因此，開展AZ31的晶粒細(xì)化研究具有重要意義。
　　添加中間合金細(xì)化劑是細(xì)化鑄態(tài)晶粒的常用方法之一，基于目前眾多學(xué)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(xì)化。然而，中間合金不同的成分配比會(huì)導(dǎo)致其相組成的差異，這可能會(huì)影響Al-Ti-B/C中間合金對AZ31的晶粒細(xì)化能力。探究該問題對AZ31晶粒細(xì)化劑的優(yōu)選制備、細(xì)化機(jī)理的分析都有重要意義，而目前相關(guān)的研究報(bào)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(qiáng)化效果。但是，有關(guān)稀土元素對AZ31晶粒尺寸的影響及作用機(jī)理的研究還比較有限，細(xì)化劑與稀土復(fù)合

3、添加對AZ31的影響更是未見公開報(bào)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(xì)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(jī)理進(jìn)行了分析;將具有最優(yōu)細(xì)化效果的Al-Ti-B/C中間合金和稀土元素復(fù)合添加，研究兩者復(fù)合作用下AZ31鑄態(tài)晶粒的細(xì)化行為以及細(xì)化效果的衰退行為。此外，還進(jìn)行了中

4、間合金細(xì)化劑及稀土對AZ31軋制態(tài)組織（晶粒尺寸、織構(gòu)），以及鑄態(tài)、軋制態(tài)拉伸力學(xué)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(yīng)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(xì)化AZ31鑄態(tài)晶粒的能力有顯著影響，同時(shí)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(xì)化率46.8％），比Al-6Ti(只含有TiAl3)和Al-4.1Ti-1.9B（只含有TiB2）細(xì)化效果更好。這是TiAl3釋放的溶質(zhì)Ti和TiB2顆粒團(tuán)共同作用的結(jié)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(yù)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(yīng)機(jī)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)化AZ31鑄態(tài)晶粒的有效途徑，兩者同時(shí)添加能夠使細(xì)化效果得到進(jìn)一步提升，而理想的形核顆粒對AZ31鑄態(tài)晶粒的細(xì)化更加重要。研究了6種Al-Ti-B/C中間合金中細(xì)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(xì)化，但織構(gòu)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(xué)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(huì)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(xì)化的變化趨勢。添加1-3％Gd會(huì)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(xì)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(jié)果:①Y、Gd與Al之間發(fā)生反應(yīng)消耗了熔

9、體中的Al元素，弱化了Al自身的細(xì)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(dāng)異質(zhì)形核基底，提高形核率，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。相比Y元素而言，Gd元素對AZ31鑄態(tài)晶粒的細(xì)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(xì)化率58.6％），這也會(huì)對AZ31軋制態(tài)組織產(chǎn)生影響:軋制態(tài)晶粒尺寸得到細(xì)化，織構(gòu)也有所弱化。AZ31+3％Gd合金鑄態(tài)、軋制態(tài)的拉伸力學(xué)性能也得到了提升。
　　(3

10、)研究了細(xì)化效果最好的Al-Ti-B/C中間合金(Al-6.1Ti-4.6C)和Gd復(fù)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(xì)化率72.1％），比單獨(dú)添加Al-6.1Ti-4.6C或Gd時(shí)的細(xì)化效果更加顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，向AZ31中添加形核顆粒來細(xì)化鑄態(tài)晶粒時(shí)，增加顆粒相的種類能夠提升細(xì)化效果，降低AZ31的最小平均晶粒尺寸。Al-6.1Ti-4.6C和Gd復(fù)合添加后，熔體保溫時(shí)間在30min以內(nèi)時(shí)，

11、晶粒尺寸變化不大，進(jìn)一步延長保溫時(shí)間會(huì)使晶粒發(fā)生較明顯的粗化。基于Stokes公式計(jì)算和對鑄錠的微觀組織分析得出，Al4C3、 TiC、Al2Gd顆粒的沉降是細(xì)化效果衰退的主要原因。研究了復(fù)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(dú)添加，復(fù)合添加對軋制態(tài)晶粒的細(xì)化、織構(gòu)的弱化效果更加顯著。復(fù)合添加還使AZ31得到了比單獨(dú)添加時(shí)更加顯著的