鎂合金自孕育凝固過程及其半固態(tài)流變成形的研究.pdf

1、隨著人們對節(jié)能減排及對產(chǎn)品性能要求日益提高，鎂合金在以輕量化為發(fā)展方向的交通、電子等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。傳統(tǒng)鑄造得到的鎂合金產(chǎn)品晶粒及析出相粗大且分布不均衡，使其力學(xué)性能和耐腐蝕性能不夠理想，難以滿足高性能結(jié)構(gòu)件需求;壓鑄是鎂合金零件主要成形工藝，但也存在氣孔缺陷嚴重、難以熱處理強化等問題。金屬半固態(tài)成形技術(shù)采用了含有細小、球狀初生固相的固液混合漿料，能有效改善產(chǎn)品微觀組織并減少鑄造缺陷，有望進一步解決限制鎂合金應(yīng)用的瓶頸問題。本文以

2、鎂合金凝固組織控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)半固態(tài)流變加工為主要目的，選擇目前廣泛使用的Mg-Al系合金為研究對象，開展了鎂合金鑄態(tài)組織細化、非枝晶固液混合漿料快速制備、流變壓鑄成形及后續(xù)熱處理強化方面較系統(tǒng)的實驗室基礎(chǔ)研究，研究結(jié)果對進一步完善和創(chuàng)新鎂合金細晶坯料制備技術(shù)、推動鎂合金半固態(tài)流變成形進一步應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。主要研究內(nèi)容和獲得的成果如下:
　　從金屬凝固組織控制理論基本原理出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有金屬晶粒細化技術(shù)的特點，發(fā)展了一種

3、新型的凝固組織控制技術(shù)—自孕育鑄造(Self-inoculation method，SIM)，設(shè)計制造了SIM相關(guān)設(shè)備并進行了一系列熔鑄實驗。結(jié)果表明:相比常規(guī)凝固，SIM對AM60和AZ31合金晶粒大小及二次相形貌均有較好細化效果，鑄件組織及成分均勻性得到改善;揭示了工藝參數(shù)對SIM鑄造過程的影響規(guī)律和本質(zhì):熔體處理溫度、孕育劑加入量和導(dǎo)流器傾斜角度共同影響合金熔體的激冷強度和導(dǎo)流器出口處的溫度，只要上述參數(shù)匹配使熔體出口溫度處于液相

4、線附近，便可以極大促進晶粒增殖，獲得較好晶粒細化效果。在此基礎(chǔ)上提出了描述孕育劑熔化狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，建立了SIM工藝參數(shù)和熔體出口溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為優(yōu)化不同合金SIM工藝參數(shù)提供了基礎(chǔ);
　　對SIM條件下鎂合金半固態(tài)組織形成及演變過程研究認為，SIM促進了合金凝固初期的晶粒增殖，緩慢冷卻時合金溫度場較為均勻，所得半固態(tài)組織細小、圓整，因此高晶粒密度和均勻溫度場是從液相中直接獲得球晶組織的兩個條件;研究了SIM參數(shù)對半固態(tài)組織

5、中初生α-Mg形貌影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三個主要參數(shù)影響規(guī)律基本一致，在保證漿料質(zhì)量的前提下，都具有較寬的可操作范圍，一定程度上提高了制漿的靈活性和可操作性;對非枝晶初生相形核和生長特點分析認為，孕育劑創(chuàng)造了熔體非均質(zhì)形核所需的熱力學(xué)和動力學(xué)條件，導(dǎo)流器使熔體整體過冷并產(chǎn)生激冷晶游離，兩者結(jié)合促進了熔體“晶粒倍增”，晶粒生長時由于液體強迫對流使合金溫度場均勻，減小了生長前沿實際過冷，避免了擇優(yōu)生長;漿料冷卻和保溫時初生相在界面曲率和表面張力作用

6、分離并逐漸球化，高晶粒密度下晶粒濃度場疊加減小了成分過冷度，使固相在很大程度上保持穩(wěn)定生長而不失穩(wěn)，延長保溫時間初生相在合并長大和Ostwald熟化機制下粗化長大。
　　不同成形參數(shù)的流變壓鑄成形結(jié)果表明:半固態(tài)漿料液相的凝固行為可以分為二次α-Mg依附長大、獨立形核長大及共晶反應(yīng)三個階段;增大壓射速度使產(chǎn)品內(nèi)α-Mg尺寸、形狀系數(shù)下降，均勻性提高，降低漿料固相率或增大壓射速度有利于減輕鑄件表層液相偏析;漿料保存時間越長，產(chǎn)品固相

7、率和初生相尺寸越大，同時圓整度提高，漿料保存溫度越高，產(chǎn)品液相率越高，初生相顆粒尺寸和圓整度下降;氣孔是流變壓鑄AM60產(chǎn)品的主要缺陷，降低壓射速度和提高固相率有利于減少氣孔缺陷，提高產(chǎn)品致密度;產(chǎn)品缺陷較少時，AM60合金斷裂方式主要為沿二次凝固區(qū)β相的斷裂分離，AZ31合金斷裂分離既發(fā)生在初生相表面，也發(fā)生在初生相內(nèi)部;缺陷較多時，兩種合金裂紋均首先在氣孔、縮松處產(chǎn)生，之后沿依附生長的二次α-Mg擴展。
　　熱處理結(jié)果表明，固

8、溶處理時流變壓鑄AM60組織演變可分為兩個階段:β-Mg17Al12相快速溶解及顆?？焖俅只A段和顆粒正常長大階段。第一階段β相溶解使二次顆粒迅速長大，同時初生顆粒合并二次顆?？焖匍L大;第二階顆粒以合并機制緩慢長大;過飽和AM60時效時以不連續(xù)析出胞形式析出β相，時效溫度升高，相同時間內(nèi)不連續(xù)析出胞數(shù)量增多，且在晶界處聚集粗化;AM60抗拉強度和延伸率隨固溶時間延長先增大，后減小，400℃固溶16h時達到最大值237MPa和13.9％，