高性能镁合金电磁改性技术研究

论文摘要

航空航天和汽车工业对轻质合金的需求不断增长，使得新材料和先进加工技术也得到了很大发展。由于镁合金在物理，机械和铸造方面具有优越的性能，例如：比强度和比刚度高，铸造性能优异，密度低，抗震性能好，热和电导率高等等，被认为是轻质结构件的理想材料。然而，镁合金也具有低硬度，有限的强度，高的化学反应能力以及极差的电腐蚀性能等缺点。以材料加工，磁流体动力学以及材料科学与工程为基础的电磁加工技术被认为是一种重要的前沿加工技术，已经被广泛应用于提高合金的性能，例如，利用磁场和感应电流之间的相互作用来对液体金属产生驱动、搅拌、净化、传输和形状控制等作用。 本文分别将软接触电磁连铸，电磁搅拌和强磁场三种技术应用到镁合金制备过程中。其中，实现镁合金的电磁连铸是工作重点。并研究了各种电磁场对镁合金微观组织和性能的影响，得出了以下主要的结论： 自行设计、建立了适合于镁合金的电磁连铸成型系统与保护系统。在对镁合金电磁连铸的实验缺陷分析后，确定出本实验条件下较为合适的工艺参数：电源频率2500Hz，功率10kW；浇注温度710～730℃；液面控制在感应线圈上沿±2mm处；对于Φ80mm镁合金铸锭，稳定拉速（V2）为1.5mm／s，Φ120mm为V2=1.08mm／s；冷却水量为0.6～1.0m3／h。并在此参数下得到了质量较好的镁合金铸锭。软接触电磁连铸铸锭具有细小、均匀的显微组织；且原本在金属模铸锭、普通连铸锭中在晶界上大量析出的β相，在电磁连铸锭中析出减少，并呈现弥散分布的形式。这些组织上的改变，会改善镁合金的性能。软接触电磁连铸力学性能有很大提高。Φ80mm铸锭与金属模铸锭比较，常温抗拉强度和延伸率分别提高了约30％和27％；Φ120mm铸锭与普通连铸锭比较，抗拉强度和延伸率亦提高了约33％和42％。断口形貌显示软接触连铸锭具有更多的韧性断裂特征。同时，软接触连铸锭的宏观硬度比照普通连铸锭也有很大提升：边部提高了14％，心部提高了23％。在3.5％NaCl溶液中的动电位极化测试表明，软接触电磁连铸铸锭耐腐蚀性能有很大的提高。软接触电磁连铸镁合金（Φ80mm）的腐蚀电压为-1.41V，腐蚀电压附近的腐蚀电流密度为3.581μA／cm2。相对于模铸锭，腐蚀电压上升，腐蚀电流下降，耐蚀性能提高。另外，腐蚀形貌也验证了这一结果。 设计制造以永磁体为工作介质的电磁搅拌装置，建立了电磁搅拌作用模型。通过分析得出微体积元在永磁体搅拌过程中在径向和切向上均受到周期变化的作用力。该作用力的大小对改变凝固组织有重要的作用。永磁体搅拌细化了AZ61镁合金的组织，提高

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 镁及镁合金的特性和合金设计
• 1.2.1 镁的物理化学性质
• 1.2.2 镁的合金设计
• 1.3 镁合金性能研究与开发
• 1.3.1 镁合金的塑性
• 1.3.2 镁合金的耐蚀性能
• 1.3.3 镁合金的高温性能
• 1.4 镁合金成型技术
• 1.4.1 镁合金的压铸
• 1.4.2 镁合金的半固态成形
• 1.4.3 材料电磁加工
• 1.5 镁合金的应用
• 1.6 课题研究的主要内容及实现方法
• 2 镁合金电磁连铸原理及电参数计算
• 2.1 引言
• 2.2 电磁连铸基本原理
• 2.3 电磁连铸过程电磁场理论
• 2.4 电参数的计算与选择
• 2.4.1 磁场频率的选择
• 2.4.2 电流强度的确定
• 2.4.3 阻抗、电压和电源功率的计算
• 2.4.4 感应热的估算
• 2.5 小结
• 3 电磁连铸系统设计及工艺过程研究
• 3.1 引言
• 3.2 电磁连铸系统装置设计
• 3.3 结晶器的设计
• 3.4 感应器的设计
• 3.5 冷却水套的设计
• 3.6 磁场的研究
• 3.6.1 磁场的测量方法
• 3.6.2 结晶器内的磁场分布
• 3.7 电磁连铸的工艺流程
• 3.8 电磁连铸工艺参数研究
• 3.8.1 浇注温度的选择
• 3.8.2 液柱高度的控制
• 3.8.3 铸造速度
• 3.8.4 保护气氛控制
• 3.8.5 缺陷分析
• 3.9 小结
• 4 镁合金电磁连铸的组织及性能
• 4.1 引言
• 4.2 合金的化学成分
• 4.3 电磁连铸试验过程
• 4.4 组织及相分析
• 4.5 力学性能分析
• 4.6 电化学性能分析
• 4.7 小结
• 5 永磁体搅拌对镁合金性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 试验基本原理
• 5.3 永磁旋转磁场的设计
• 5.3.1 永磁材料的选取
• 5.3.2 磁极的布置方式
• 5.4 试验装置与方法
• 5.5 永磁体搅拌中电磁力的理论解析
• 5.5.1 液体金属微元径向受力
• 5.5.2 液体金属微元切向受力
• 5.6 试验结果与讨论
• 5.6.1 相结构
• 5.6.2 显微组织
• 5.6.3 电化学行为
• 5.7 小结
• 6 强磁场下镁合金凝固研究
• 6.1 引言
• 6.2 晶粒在磁场中的旋转
• 6.3 试验装置
• 6.4 强磁场分布
• 6.4.1 螺线管磁场分布特征
• 6.4.2 强磁场内磁场分布
• 6.5 试验研究
• 6.5.1 试验过程
• 6.5.2 试验结果与讨论
• 6.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书