Mg-Al合金铸态组织细化技术基础研究

论文摘要

镁合金具有高的比强度、比刚度、良好的减振性、导热性和可切削加工性,广泛地应用于汽车、电子、航空航天等领域。提高镁合金强度和塑性变形能力,以扩大其应用范围,近年来成为材料工作者努力的目标。晶粒细化是提高镁合金综合力学性能最有效的方法之一,因此研究镁合金晶粒细化技术具有十分重要的意义。本文通过正交实验,研究了Al、Zn、Mn三种合金元素对负压吸铸镁合金力学性能的影响规律,结果表明,Al含量是影响Mg-Al合金力学性能的关键因素,Zn、Mn含量变化的影响相对Al而言较弱。在本文研究条件下,Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn为负压吸铸的镁合金最佳成分。采用负压吸铸的方法,研究了Ca、Ce含量变化对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn合金铸态组织影响规律。实验结果表明,Ca、Ce对该合金的铸态组织都有明显的细化效果:当Ca添加量在0～0.9%范围时,随着Ca含量的增加,晶粒尺寸逐渐减小;当Ce添加量在0～1.0%范围时,随着Ce量的增加,枝晶愈见发达,枝晶臂缩颈现象加剧,其中断开呈细小棒状的晶粒逐渐增多,晶界上的β-Mg17Al12相逐渐减少,但出现了新相Al4Ce;通过高温液淬实验和热分析技术,研究了Ca和Ce对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn合金凝固过程的影响机理。结果表明,Ca促进了液相中的异质核心形核、抑制了α枝晶生长,从而使镁合金的等轴晶尺寸减小;Ce促使镁合金枝晶生长,从而抑制了镁合金枝晶前沿的形核。分析认为,Ca在凝固过程中富集于固液界面前沿,增大了界面前沿液相中的过冷度,从而促进了界面前沿液相中的异质形核,并抑制了先析晶粒的长大;Ce在凝固过程中吸附于固液界面,降低了界面能,从而促进了枝晶的生长,同时导致界面前沿液相中的过冷度减小,抑制了界面前沿液相中的异质形核,减小了α枝晶的二次枝晶间距。在Mg-9Al-0.8Zn-0.3Mn合金凝固过程中采用超声波、磁致振荡和脉冲电流等物理场进行处理,并与MgCO3变质处理的结果进行对比。实验结果表明,功率超声对合金的铸态组织有明显细化效果,随着功率的增加,细化效果更明显,当功率达到500W时,其细化效果比MgCO3变质处理的效果更好。磁致振荡对合金的铸态组织也有显著细化作用,且随着磁致振荡电压的增大,细化效果也越明显,当电压达到100jV以上时细化效果比MgCO3变质处理的效果更好。脉冲电流对合金的铸态组织同样有细化作用,随着脉冲电流电压的增大,细化效果增大,当电压达到250jV时细化效果与MgCO3变质处理的效果相当。分析不同物理场和MgCO3变质处理的冷却曲线表明,三种物理场处理对该合金的初始凝固温度影响较小,但是可以显著缩短合金的凝固时间;而MgCO3变质处理使得合金初始凝固温度明显提高,凝固时间略微缩短。分析认为,外物理场处理主要通过促进熔体散热和增加型壁晶核的脱落和漂移,从而促使其凝固组织细化;而MgCO3变质处理的主要通过增加异质形核质点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 本文主要创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 镁合金概述
• 1.1.1 镁合金的特点
• 1.1.2 镁合金的应用
• 1.1.3 镁合金的研究进展
• 1.2 镁合金铸态组织的细化研究
• 1.2.1 镁合金晶粒细化的意义
• 1.2.2 镁合金晶粒细化技术的研究进展
• 1.3 课题研究背景及内容
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 实验方法及主要设备
• 2.1 技术路线
• 2.2 镁合金的气体保护熔炼工艺
• 2.3 镁合金的浇注工艺
• 2.4 主要实验设备
• 6 保护气体混合装置'>2.4.1 SF₆保护气体混合装置
• 2.4.2 负压吸铸装置
• 2.4.3 超声波发生器
• 2.4.4 高压脉冲电源装置
• 第三章 CA、CE 对MG-AL 合金铸态组织的影响
• 3.1 实验合金成分优化
• 3.1.1 正交实验设计
• 3.1.2 负压吸铸镁合金成分与性能
• 3.2 MG-6AL-0.6ZN-0.3MN 合金的铸态组织
• 3.3 CA 对MG-6AL-0.6ZN-0.3MN 合金铸态组织的影响
• 3.3.1 实验合金成分
• 3.3.2 Ca 对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn 合金铸态晶粒的细化
• 3.3.3 Ca 对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn 合金第二相的影响
• 3.4 CE 对MG-6AL-0.6ZN-0.3MN 合金铸态组织的影响
• 3.4.1 实验合金成分
• 3.4.2 Ce 对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn 合金铸态晶粒的细化
• 3.4.3 Ce 对Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn 合金第二相的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章CA、CE 对MG-AL 合金铸态组织细化机理分析
• 4.1 高温液淬分析
• 4.1.1 高温液淬实验及合金成分
• 4.1.2 Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn 合金的液淬组织分析
• 4.1.3 Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn-0.9Ca 合金的液淬组织分析
• 4.1.4 Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn-0.5Ce 合金的液淬组织分析
• 4.2 CA、CE 对MG-6AL-0.6ZN-0.3MN 合金凝固特性的影响
• 4.2.1 Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn 合金的凝固特性研究
• 4.2.2 Mg-6Al-0.6Zn-0.3Mn 合金添加Ca、Ce 后的凝固特性研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 超声波对MG-AL 合金铸态组织的细化研究
• 5.1 超声波细化合金铸态组织的研究
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 超声波对合金铸态组织的影响
• 5.2 超声波对合金凝固特性的影响
• 5.3 超声波细化机理分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 磁致振荡对MG-AL 合金铸态组织的细化研究
• 6.1 实验方法
• 6.2 磁致振荡细化合金铸态组织的研究
• 6.3 磁致振荡对合金凝固特性的影响
• 6.4 磁致振荡细化机理分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 脉冲电流对MG-AL 铸态组织的细化研究
• 7.1 实验方法
• 7.2 脉冲电流细化合金组织的研究
• 7.3 脉冲电流对合金凝固特性的影响
• 7.4 脉冲电流细化机理分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 致谢