镁合金中α-Mg、Mg2Si相的异质形核机制与相关中间合金研究

论文摘要

本文利用X射线衍射仪（XRD）、光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和电子探针显微分析仪（EPMA）等测试手段，研究了Si-P、Al-C中间合金分别对Mg-Si、Mg-Al合金的变质和细化作用，考察了各种工艺参数对变质和细化效果的影响。探讨了α-Mg、Mg2Si相的异质形核机制。 Mg-8Si合金含有性能优良的自生Mg2Si增强相，但通常呈现出粗大的树枝状形貌，使合金结晶组织表现出极不均匀的“三层”特点：即初晶Mg2Si相被α-Mg相包围，然后被Mg2Si+Mg共晶组织包围。初生Mg2Si树枝晶发达，枝晶间夹角为90°，二次枝晶间距17μm左右。其生长过程伴随着溶质元素的再分配，需要源源不断地从液相中吸收Si，使得固-液界面前沿的Si溶质浓度不断下降，晶体生长由于Si的贫乏而被迫停止。此时界面前沿的液相几乎完全被Mg原子占据，α-Mg相开始生核并长大，形成“晕圈”状形貌将初生Mg2Si树枝晶包围在中心。最后剩余的液相发生共晶反应，形成连续分枝的不规则丝状或层片状共晶Mg2Si相分布在共晶Mg相的连续基体中。 Si-10P中间合金对Mg-8Si合金的结晶组织具有显著的变质效果。当中间合金加入量为0.5％、熔体温度为800℃时，变质效果最佳。此时初晶Mg2Si相由发达的树枝状转变成细小的多角颗粒状，尺寸为10-20μm。在Si-10P中间合金对Mg-8Si合金的变质过程中，同时加入0.5％Ce可使Mg2Si颗粒的尺寸进一步细化到8μm左右。随着Mg2Si颗粒形貌的改善和尺寸的细化，Mg-8Si合金原本极不均匀的“三层”结晶组织特征变得不明显，而是形成自生细小的Mg2Si颗粒增强Mg基复合材料。 进一步研究表明，富Al-P-O-Mg-Si化合物为Mg2Si相提供了结晶衬底，促进了异质形核，实现了Mg2Si相的细化。微量P呈梯度分布在衬底的周围，在晶体长大过程中吸附在固-液界面上，抑制了Mg2Si相生长的各向异性，促进了其形貌的改善。但仍有少量极不发达的一次枝晶臂存在，其围成的空隙就形成了分布在Mg2Si颗粒中的细小孔洞。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 本文的创新与主要贡献
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属及合金凝固组织的微细化
• 1.2.1 金属及合金凝固组织微细化原理
• 1.2.2 金属及合金凝固组织微细化技术
• 1.2.3 中间合金在微细化技术中的应用
• 1.3 镁及镁合金研究现状
• 1.3.1 镁及镁合金的发展与应用
• 1.3.2 当前镁合金的研究热点
• 1.3.3 提高镁合金性能的方法
• 1.4 镁及镁合金常用晶粒细化方法
• 1.4.1 镁及镁合金晶粒细化的意义
• 1.4.2 晶粒细化液态工艺
• 1.4.3 晶粒细化半固态工艺
• 1.4.4 晶粒细化铸锭变形工艺
• 1.4.5 晶粒细化粉末冶金工艺
• 2Si相常用变质方法'>1.5 镁合金中Mg₂Si相常用变质方法
• 2Si强化相的特点'>1.5.1 镁合金中Mg₂Si强化相的特点
• 2Si强化相的制备方法'>1.5.2 镁合金中Mg₂Si强化相的制备方法
• 2Si强化相的变质处理'>1.5.3 镁合金中Mg₂Si强化相的变质处理
• 1.6 本文研究目的、意义及内容
• 参考文献
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 研究方案与技术路线
• 2.2 试验材料与设备
• 2.3 镁合金的熔炼
• 2.4 中间合金的合成
• 2.5 细化与变质试验
• 2.6 试样的制备与检测
• 第3章 Mg-Si合金的结晶组织与形成过程
• 3.1 引言
• 3.2 Mg-8Si合金的凝固组织特点
• 2Si相结晶及其形貌'>3.3 初晶Mg₂Si相结晶及其形貌
• 3.4 溶质再分配与α-Mg相的形成
• 2Si+Mg共晶结晶及其形貌'>3.5 Mg₂Si+Mg共晶结晶及其形貌
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 Si-P中间合金对Mg-Si合金的变质处理
• 4.1 引言
• 4.2 Mg-Si合金P变质结晶组织
• 2Si颗粒中异质形核衬底的分析'>4.3 Mg₂Si颗粒中异质形核衬底的分析
• 2Si颗粒中P分布的分析'>4.4 Mg₂Si颗粒中P分布的分析
• 4.5 Ce对P变质效果的促进作用
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 Al-C中间合金的熔铸合成与组织结构
• 5.1 引言
• 5.2 Al-C中间合金的熔铸合成
• 5.3 Al-C中间合金的组织结构
• 4C₃颗粒的形貌与分布'>5.4 Al₄C₃颗粒的形貌与分布
• 4C₃颗粒合成机理分析'>5.5 Al₄C₃颗粒合成机理分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 Al-C中间合金对Mg-Al合金的细化处理
• 6.1 引言
• 6.2 AZ63合金的组织结构与形成
• 6.3 Al-C中间合金对AZ63合金的细化效果
• 6.4 α-Mg晶粒中异质形核衬底的分析
• 6.5 α-Mg晶粒中C分布的分析
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第7章 结论
• 附录Ⅰ:攻读博士学位期间发表的论文
• 附录Ⅱ:获奖情况
• 学位论文评阅及答辩情况表