流變擠壓鑄造AZ91-Ca合金微觀組織和力學(xué)行為研究.pdf

1、鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、電磁屏蔽性能好和易于回收等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前社會(huì)對(duì)材料輕量化和綠色環(huán)保的要求，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。Mg-Al系合金的Ca合金化是目前發(fā)展低成本耐熱鎂合金的一個(gè)重要方向，Ca的添加能夠顯著改善Mg-Al系合金的耐熱性能，并且具有很好的阻燃效果。但與此同時(shí)，Ca的加入會(huì)導(dǎo)致Mg-Al系合金的室溫力學(xué)性能出現(xiàn)嚴(yán)重惡化，這大大限制了Mg-Al-

2、Ca系合金的實(shí)際應(yīng)用。因此，提高M(jìn)g-Al-Ca系合金的室溫力學(xué)性能，解決Ca的添加帶來的耐熱性能、阻燃效果與室溫力學(xué)性能之間的矛盾，已成為一個(gè)亟待解決的問題。
　　擠壓鑄造是一種先進(jìn)液態(tài)成型技術(shù)，既能夠細(xì)化晶粒，又能夠減少鑄件中的缺陷。半固態(tài)成形技術(shù)則綜合了液態(tài)成型和塑性加工的長(zhǎng)處，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的金屬成形技術(shù)之一。半固態(tài)流變擠壓鑄造技術(shù)可以看成是半固態(tài)流變成形和擠壓鑄造的結(jié)合，同時(shí)具備了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高合金

3、的力學(xué)性能，是一種很有潛力的新成形技術(shù)。但是現(xiàn)有的流變擠壓鑄造研究集中于鋁合金中，關(guān)于鎂合金還沒有研究。Mg-Al-Ca系合金的流變擠壓鑄造成形研究，有望大幅度提高合金的力學(xué)性能，并為鎂合金半固態(tài)流變成形技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　本文以AZ91-Ca合金為研究對(duì)象，采用差示掃描量熱儀（DSC）、X射線衍射儀（XRD）、光學(xué)顯微鏡（OM）、帶能譜分析（EDX）的掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等分析

4、手段，首次研究了采用氣泡攪拌制備 AZ91-2wt.％Ca（AZX912）合金半固態(tài)漿料，系統(tǒng)研究了擠壓鑄造AZ91-1wt.%Ca（AZX911）合金和流變擠壓鑄造 AZX912合金的微觀組織和室溫拉伸性能，對(duì)比研究了不同鑄造工藝 AZX912合金的高溫力學(xué)行為，并進(jìn)一步研究了熱處理對(duì)流變擠壓鑄造 AZX912合金的影響，從理論上分析了合金的細(xì)化機(jī)制、強(qiáng)化機(jī)理、壓縮蠕變機(jī)制和半固態(tài)初生相的形核和生長(zhǎng)機(jī)制。
　　通過研究不同壓力和

5、澆注溫度下擠壓鑄造 AZX911合金的微觀組織和室溫拉伸性能，探明了擠壓鑄造工藝參數(shù)的影響規(guī)律。闡明了壓力對(duì) AZX911合金的細(xì)化機(jī)理，壓力升高一方面改善了凝固傳熱，提高了冷卻速率，另一方面提高了 AZX911合金液相線，使過冷度增大，促進(jìn)了形核。共晶點(diǎn)的移動(dòng)帶來了第二相含量的增加。溫度一定時(shí)，隨壓力增大，異質(zhì)形核率 vIhe先升高后降低，并推導(dǎo)出在壓力為P=(此處公式省略)時(shí)，異質(zhì)形核率 vIhe達(dá)到最大值。揭示了近液相線鑄造中薔薇

6、晶的形成機(jī)制，低過熱度澆注時(shí)熔體整體過冷、大量形核后，相鄰晶粒相互作用，抑制了枝晶生長(zhǎng)。
　　為了實(shí)現(xiàn)半固態(tài)漿料的快速高效制備，提出采用氣泡攪拌法制備 AZX912合金半固態(tài)漿料的方法與技術(shù)原型，并開發(fā)出實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)證明，這一方法能在30s內(nèi)制備出α-Mg初生相平均顆粒尺寸小于50μm、平均圓整度大于0.7的AZX912合金半固態(tài)漿料。闡明了氣泡攪拌制備半固態(tài)漿料過程中α-Mg初生相的形核和生長(zhǎng)機(jī)制：氣泡攪拌過程中，α-Mg初生

7、相在熔體中直接形核生成，其生長(zhǎng)形貌取決于氣體流量，隨氣體流量增大，攪拌強(qiáng)度和紊流強(qiáng)度逐漸增大，α-Mg初生相的形貌呈現(xiàn)從枝晶到薔薇晶再到球狀晶的演變?？紤]Ar氣同時(shí)作為攪拌介質(zhì)和冷卻介質(zhì)存在，首次構(gòu)建了反映初生相形貌的形狀因子fi與氣體流量G關(guān)系的模型：fi=e-2(R0+BG)/AG，其中R0為無氣泡攪拌條件下的初始凝固速率，A和B為常數(shù)；揭示了α-Mg初生相形狀因子F與氣體流量G之間的關(guān)系：F=E-(0.933/G+0.192)，這

8、一擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得比較好。
　　采用氣泡攪拌制備半固態(tài)漿料與流變擠壓鑄造復(fù)合成形方法，實(shí)現(xiàn)了 AZX912合金α-Mg相和第二相的細(xì)化。揭示了半固態(tài)漿料質(zhì)量和壓力對(duì)流變擠壓鑄造AZX912合金微觀組織和室溫拉伸性能的影響規(guī)律，獲得了最佳工藝參數(shù)組合，當(dāng)氣體流量、澆注溫度和壓力分別為6L/min、596℃和120MPa時(shí)，AZX912合金達(dá)到最佳室溫力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到110.2MPa、177.9M

9、Pa和3.3%?；趶?fù)合材料結(jié)構(gòu)模型，闡明了半固態(tài)漿料質(zhì)量對(duì)流變擠壓鑄造 AZX912合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)漿料制備工藝參數(shù)中，漿料澆注溫度對(duì)流變成形合金的力學(xué)性能影響最大。闡明了流變擠壓鑄造AZX912合金的凝固行為，凝固過程包含兩個(gè)非連續(xù)階段，第一階段為α-Mg初生相的形成和演變，第二階段為半固態(tài)漿料在壓力和低溫模具作用下的快速凝固。
　　對(duì)比研究了三種鑄造工藝制備AZX912合金的高溫力學(xué)行為。在25~20

10、0℃范圍內(nèi)，流變擠壓鑄造樣品均表現(xiàn)出最佳的拉伸性能，擠壓鑄造次之，重力鑄造最差。在50~100MPa和150~200℃范圍內(nèi)，擠壓鑄造樣品的壓縮蠕變性能最佳，重力鑄造次之，流變擠壓鑄造最差。流變擠壓鑄造樣品晶粒尺寸最小，容易發(fā)生晶界滑移，與重力鑄造相比，擠壓鑄造樣品中更高的第二相含量為位錯(cuò)的湮滅和晶界遷移或滑動(dòng)提供了更大的阻礙。揭示了合金的壓縮蠕變機(jī)制，在200℃和50~100MPa范圍內(nèi)，三種鑄造工藝制備AZX912合金的蠕變應(yīng)力指數(shù)

11、n在7.9~8.4這一很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，屬于Ⅲ類蠕變，這一蠕變過程受非基面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的控制，在100MPa和150~200℃范圍內(nèi)，三種鑄造工藝制備AZX912合金的蠕變激活能Q在118~145kJ/mol這一范圍內(nèi)變化，隨蠕變溫度的升高，存在蠕變類型的變化，從受空位擴(kuò)散控制的位錯(cuò)攀移回復(fù)的Ⅱ類蠕變轉(zhuǎn)變?yōu)槭芊腔嫖诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的控制的Ⅲ類蠕變。
　　為進(jìn)一步提高流變擠壓鑄造 AZX912合金的性能，研究了固溶和時(shí)效處理對(duì)其微觀組織和室溫拉

12、伸性能的影響規(guī)律。410℃固溶過程中，β-Mg17Al12相固溶進(jìn)入基體，未溶解的Al2Ca相形貌改善，延伸率顯著提高。225℃時(shí)效過程中，β-Mg17Al12相不斷析出，在96h達(dá)到時(shí)效峰值，其中連續(xù)析出占主導(dǎo)地位?；w中經(jīng)時(shí)效析出的β-Mg17Al12相有很好的強(qiáng)化作用，但對(duì)塑性的負(fù)面作用顯著。
　　鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、電磁屏蔽性能好和易于回收等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前社會(huì)對(duì)材料輕量化和綠色環(huán)保的

13、要求，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。Mg-Al系合金的Ca合金化是目前發(fā)展低成本耐熱鎂合金的一個(gè)重要方向，Ca的添加能夠顯著改善Mg-Al系合金的耐熱性能，并且具有很好的阻燃效果。但與此同時(shí)，Ca的加入會(huì)導(dǎo)致 Mg-Al系合金的室溫力學(xué)性能出現(xiàn)嚴(yán)重惡化，這大大限制了 Mg-Al-Ca系合金的實(shí)際應(yīng)用。因此，提高M(jìn)g-Al-Ca系合金的室溫力學(xué)性能，解決Ca的添加帶來的耐熱性能、阻燃效果與室溫力學(xué)性能之

14、間的矛盾，已成為一個(gè)亟待解決的問題。
　　擠壓鑄造是一種先進(jìn)液態(tài)成型技術(shù)，既能夠細(xì)化晶粒，又能夠減少鑄件中的缺陷。半固態(tài)成形技術(shù)則綜合了液態(tài)成型和塑性加工的長(zhǎng)處，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的金屬成形技術(shù)之一。半固態(tài)流變擠壓鑄造技術(shù)可以看成是半固態(tài)流變成形和擠壓鑄造的結(jié)合，同時(shí)具備了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高合金的力學(xué)性能，是一種很有潛力的新成形技術(shù)。但是現(xiàn)有的流變擠壓鑄造研究集中于鋁合金中，關(guān)于鎂合金還沒有研究。Mg-Al-Ca系合

15、金的流變擠壓鑄造成形研究，有望大幅度提高合金的力學(xué)性能，并為鎂合金半固態(tài)流變成形技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　本文以AZ91-Ca合金為研究對(duì)象，采用差示掃描量熱儀（DSC）、X射線衍射儀（XRD）、光學(xué)顯微鏡（OM）、帶能譜分析（EDX）的掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等分析手段，首次研究了采用氣泡攪拌制備 AZ91-2wt.%Ca（AZX912）合金半固態(tài)漿料，系統(tǒng)研究了擠壓鑄造AZ91-1wt

16、.%Ca（AZX911）合金和流變擠壓鑄造 AZX912合金的微觀組織和室溫拉伸性能，對(duì)比研究了不同鑄造工藝 AZX912合金的高溫力學(xué)行為，并進(jìn)一步研究了熱處理對(duì)流變擠壓鑄造 AZX912合金的影響，從理論上分析了合金的細(xì)化機(jī)制、強(qiáng)化機(jī)理、壓縮蠕變機(jī)制和半固態(tài)初生相的形核和生長(zhǎng)機(jī)制。
　　通過研究不同壓力和澆注溫度下擠壓鑄造 AZX911合金的微觀組織和室溫拉伸性能，探明了擠壓鑄造工藝參數(shù)的影響規(guī)律。闡明了壓力對(duì) AZX911合

17、金的細(xì)化機(jī)理，壓力升高一方面改善了凝固傳熱，提高了冷卻速率，另一方面提高了 AZX911合金液相線，使過冷度增大，促進(jìn)了形核。共晶點(diǎn)的移動(dòng)帶來了第二相含量的增加。溫度一定時(shí)，隨壓力增大，異質(zhì)形核率 vIhe先升高后降低，并推導(dǎo)出在壓力為P=(此處公式省略)時(shí)，異質(zhì)形核率 vIhe達(dá)到最大值。揭示了近液相線鑄造中薔薇晶的形成機(jī)制，低過熱度澆注時(shí)熔體整體過冷、大量形核后，相鄰晶粒相互作用，抑制了枝晶生長(zhǎng)。
　　為了實(shí)現(xiàn)半固態(tài)漿料的快速

18、高效制備，提出采用氣泡攪拌法制備 AZX912合金半固態(tài)漿料的方法與技術(shù)原型，并開發(fā)出實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)證明，這一方法能在30s內(nèi)制備出α-Mg初生相平均顆粒尺寸小于50μm、平均圓整度大于0.7的AZX912合金半固態(tài)漿料。闡明了氣泡攪拌制備半固態(tài)漿料過程中α-Mg初生相的形核和生長(zhǎng)機(jī)制：氣泡攪拌過程中，α-Mg初生相在熔體中直接形核生成，其生長(zhǎng)形貌取決于氣體流量，隨氣體流量增大，攪拌強(qiáng)度和紊流強(qiáng)度逐漸增大，α-Mg初生相的形貌呈現(xiàn)從枝晶

19、到薔薇晶再到球狀晶的演變?？紤]Ar氣同時(shí)作為攪拌介質(zhì)和冷卻介質(zhì)存在，首次構(gòu)建了反映初生相形貌的形狀因子fi與氣體流量G關(guān)系的模型：fi=e-2(R0+BG)/AG，其中R0為無氣泡攪拌條件下的初始凝固速率，A和B為常數(shù)；揭示了α-Mg初生相形狀因子F與氣體流量G之間的關(guān)系：F=E-(0.933/G+0.192)，這一擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得比較好。
　　采用氣泡攪拌制備半固態(tài)漿料與流變擠壓鑄造復(fù)合成形方法，實(shí)現(xiàn)了 AZX912合金

20、α-Mg相和第二相的細(xì)化。揭示了半固態(tài)漿料質(zhì)量和壓力對(duì)流變擠壓鑄造AZX912合金微觀組織和室溫拉伸性能的影響規(guī)律，獲得了最佳工藝參數(shù)組合，當(dāng)氣體流量、澆注溫度和壓力分別為6L/min、596℃和120MPa時(shí)，AZX912合金達(dá)到最佳室溫力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到110.2MPa、177.9MPa和3.3%?；趶?fù)合材料結(jié)構(gòu)模型，闡明了半固態(tài)漿料質(zhì)量對(duì)流變擠壓鑄造 AZX912合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，半固

21、態(tài)漿料制備工藝參數(shù)中，漿料澆注溫度對(duì)流變成形合金的力學(xué)性能影響最大。闡明了流變擠壓鑄造AZX912合金的凝固行為，凝固過程包含兩個(gè)非連續(xù)階段，第一階段為α-Mg初生相的形成和演變，第二階段為半固態(tài)漿料在壓力和低溫模具作用下的快速凝固。
　　對(duì)比研究了三種鑄造工藝制備AZX912合金的高溫力學(xué)行為。在25~200℃范圍內(nèi)，流變擠壓鑄造樣品均表現(xiàn)出最佳的拉伸性能，擠壓鑄造次之，重力鑄造最差。在50~100MPa和150~200℃范圍內(nèi)

22、，擠壓鑄造樣品的壓縮蠕變性能最佳，重力鑄造次之，流變擠壓鑄造最差。流變擠壓鑄造樣品晶粒尺寸最小，容易發(fā)生晶界滑移，與重力鑄造相比，擠壓鑄造樣品中更高的第二相含量為位錯(cuò)的湮滅和晶界遷移或滑動(dòng)提供了更大的阻礙。揭示了合金的壓縮蠕變機(jī)制，在200℃和50~100MPa范圍內(nèi)，三種鑄造工藝制備AZX912合金的蠕變應(yīng)力指數(shù)n在7.9~8.4這一很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，屬于Ⅲ類蠕變，這一蠕變過程受非基面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的控制，在100MPa和150~200℃范

23、圍內(nèi)，三種鑄造工藝制備AZX912合金的蠕變激活能Q在118~145kJ/mol這一范圍內(nèi)變化，隨蠕變溫度的升高，存在蠕變類型的變化，從受空位擴(kuò)散控制的位錯(cuò)攀移回復(fù)的Ⅱ類蠕變轉(zhuǎn)變?yōu)槭芊腔嫖诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的控制的Ⅲ類蠕變。
　　為進(jìn)一步提高流變擠壓鑄造 AZX912合金的性能，研究了固溶和時(shí)效處理對(duì)其微觀組織和室溫拉伸性能的影響規(guī)律。410℃固溶過程中，β-Mg17Al12相固溶進(jìn)入基體，未溶解的Al2Ca相形貌改善，延伸率顯著提高。22