合金化对Mg-Zn-Si合金变质效果、高温及耐蚀性能的影响研究

论文摘要

轻质高强镁合金广泛应用于急需减重减振的汽车、航空、航天等领域中，合金化变质其粗大相以形成原位自生镁基复合材料是研究方向之一。本论文以过共晶的Mg-6Zn-4Si合金为研究对象，以提高自生复合材料的高温性能为目标，用OM、EDS、XRD、SEM、Image-Pro Plus6.0分析软件、电化学工作站、高温摩擦磨损试验机以及电子高温蠕变持久试验机等多种现代分析测试手段，研究Y、Sr、Sb单元及复合合金化对Mg-6Zn-4Si的初生和共晶相的影响规律，对自生复合材料的高低温拉伸力学性能以及耐磨、耐蚀、蠕变性能的影响机制，探讨合金化对Mg2Si相的变质机制。适量Y和Sr单元合金化能较大幅度的变质Mg-6Zn-4Si的初生和共晶Mg2Si相，粗大的初生Mg2Si树枝晶变质转变为细小的多边或四边形状，共晶汉字状Mg2Si变为短小的棒状。Y、Sr可吸附在Mg2Si相生长前沿，改变Mg-6Zn-4Si合金凝固的条件，显著“毒化”增强相的生长过程，抑制其各向异性长大。Sr+Sb和Y+Sr+Sb复合合金化较单元合金化具有更好的变质效果，初生Mg2Si的尺寸细化至15μm左右，变质元素对Mg2Si相起到协同变质的作用，而Y+Sb较单元合金化弱化对Mg2Si的变质效果，可能是由于Y和Sb优先生成Sb3Y5相。Y和Sr添加能大幅度改善自生复合材料的拉伸性能、耐磨性能及耐蚀性能。添加0.5%Y，复合材料的抗拉强度与延伸率最佳，分别为158MPa和4.8%，较基体合金提高50.5%和67.8%，摩擦系数最小，磨损率最低，腐蚀失重速率比基体合金减小63.6%，腐蚀电流密度下降约1个数量级；添加0.5%Sr时，复合材料的室温抗拉强度及延伸率分别为161MPa和4.5%，较基体合金分别提高53.3%和55.2%，腐蚀失重速率降低47.7%，腐蚀电流密度降低约3个数量级，高载荷下磨损率最小。Sr+Sb、Y+Sb和Y+Sr+Sb复合变质处理能有效提高材料的力学性能，添加0.5Y+0.5Sr+0.5Sb时材料的抗拉强度比基体合金高83.8%，达193MPa。Y、Sb形成的弥散硬质相Sb3Y5以及细小Mg2Si增强相能阻碍位错滑移，提高材料拉伸性能。添加0.5Sr+1.0Sb时材料的耐蚀性比基体合金高45.6%。单元和复合变质处理Mg-6Zn-4Si合金皆能提高其高温拉伸、耐磨和蠕变性能，添加0.5%Y或0.5%Sr，高温抗拉强度分别较基体合金提高46.2%和64.5%，添加0.5Y+0.5Sr+0.5Sb时材料的高温抗拉强度比基体合金高95.7%，达182MPa。0.5Y、0.5Sr单元变质材料的高温磨损率最低，为5.3×10-6g/m。0.5Y+0.5Sr+0.5Sb三元合金化变质复合材料的高温稳态蠕变速率远远低于基体合金及商用AZ91D镁合金，是AZ91D镁合金的4.23%。细小弥散的Mg2Si增强相大大改善晶界处的应力分布，减少微裂纹的产生，阻碍晶界的滑移，从而提高材料的高温蠕变性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁合金进展
• 1.2.1 镁合金的分类
• 1.2.2 镁合金的特点
• 1.2.3 镁合金的应用
• 1.2.4 镁合金的强化机制
• 1.3 耐热镁合金研究进展
• 1.3.1 稀土类耐热镁合金
• 1.3.2 碱土类耐热镁合金
• 1.3.3 含 Si 类耐热镁合金
• 1.3.4 含其它强化元素的耐热镁合金
• 1.4 本论文的研究目的和意义
• 1.5 本论文研究的主要内容与技术路线
• 第二章 实验原料及研究方法
• 2.1 试验原料
• 2.2 合金制备
• 2.2.1 熔前准备
• 2.2.2 熔铸设备
• 2.2.3 熔铸工艺
• 2.3 样品表征
• 2.3.1 光学金相显微镜观察
• 2.3.2 X 射线衍射分析
• 2.3.3 扫描电子显微镜分析
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 力学性能测试
• 2.4.2 腐蚀性能测试
• 2.4.3 磨损性能测试
• 第三章 单元合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金组织及性能的影响
• 3.1 Mg-6Zn-4Si 合金的凝固特点与组织形态
• 3.2 Y 对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织及性能的影响
• 3.2.1 Y 对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织的影响
• 2Si 变质作用机理讨论'>3.2.2 Y 对 Mg₂Si 变质作用机理讨论
• 3.2.3 Y 对 Mg-6Zn-4Si 合金力学性能的影响
• 3.2.4 拉伸断口观察
• 3.2.5 Y 对 Mg-6Zn-4Si 合金腐蚀性能的影响
• 3.2.6 Y 对 Mg-6Zn-4Si 合金磨损性能的影响
• 3.3 Sr 对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织及性能的影响
• 3.3.1 Sr 对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织的影响
• 2Si 变质作用机理讨论'>3.3.2 Sr 对 Mg₂Si 变质作用机理讨论
• 3.3.3 Sr 对 Mg-6Zn-4Si 合金力学性能的影响
• 3.3.4 Sr 对 Mg-6Zn-4Si 合金腐蚀性能的影响
• 3.3.5 Sr 对 Mg-6Zn-4Si 合金磨损性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织及性能的影响
• 4.1 Y+Sb 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织及性能的影响
• 4.1.1 Y+Sb 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织的影响
• 2Si 变质作用机理讨论'>4.1.2 Y+Sb 复合合金化对 Mg₂Si 变质作用机理讨论
• 4.1.3 Y+Sb 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金力学性能的影响
• 4.2 Sr+Sb 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织及性能的影响
• 4.2.1 Sr+Sb 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金显微组织的影响
• 2Si 变质作用机理讨论'>4.2.2 Sr+Sb 复合合金化对 Mg₂Si 变质作用机理讨论
• 4.2.3 Sr+Sb 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金力学性能的影响
• 4.2.4 Sr+Sb 复合合金化对 Mg-6Zn-4Si 合金腐蚀性能的影响
• 4.3 本章小结
• 2Si/Mg-Zn-Si 复合材料的高温性能研究'>第五章 自生 Mg₂Si/Mg-Zn-Si 复合材料的高温性能研究
• 5.1 高温磨损性能研究
• 5.1.1 高温磨损测试
• 5.1.2 高温磨损后的形貌观察
• 5.2 高温蠕变性能研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文