Mg-Al鑄造合金晶粒細(xì)化和時(shí)效析出相改性的研究.pdf

1、Mg-Al系鎂合金是應(yīng)用最廣泛的鎂合金體系，一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn)。然而在Mg-Al系鎂合金的應(yīng)用和研究中，仍存在一些問(wèn)題尚未解決，其中包括Mg-Al系鎂合金的晶粒細(xì)化和非連續(xù)析出相改性。由于Al元素與Zr元素之間有很強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合能力，Mg-Al系鎂合金不能使用添加Zr的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)化，且至今仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)其晶粒細(xì)化的有效手段。另外，Mg-Al系鎂合金有很好的時(shí)效強(qiáng)化潛能，但由于其時(shí)效析出相中非連續(xù)析出相比例較高，導(dǎo)致合金塑性降低，性能提高有

2、限，因此生產(chǎn)中通常不對(duì) Mg-Al系鎂合金做時(shí)效處理。本文關(guān)注上述 Mg-Al系鎂合金中的兩個(gè)未解決難題，系統(tǒng)研究了Sm元素對(duì)Mg-Al合金晶粒細(xì)化的影響，以及Cu元素對(duì)Mg-9Al合金晶粒細(xì)化和時(shí)效析出行為的影響，主要結(jié)論如下：
　　(1) Sm元素會(huì)對(duì)Mg-Al合金中自發(fā)存在的異質(zhì)形核顆粒Al-C-O(及Al-Fe-C-O)產(chǎn)生毒化作用，使其失去作為形核質(zhì)點(diǎn)的能力。因此，當(dāng)少量Sm加入Mg-Al合金中時(shí)，將導(dǎo)致合金晶粒顯著粗化

3、。當(dāng)Mg-Al合金中Sm的加入量足夠多時(shí)，在合金凝固過(guò)程中有Al2Sm顆粒先于α-Mg形成，并作為α-Mg的非均勻形核從而顯著細(xì)化Mg-Al合金晶粒。E2EM模型計(jì)算結(jié)果表明，Al2Sm與α-Mg之間的錯(cuò)配度僅為1.1%，可作為α-Mg的非均勻形核核心。
　　(2)顯微組織統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，Mg-3Al-2Sm合金中超過(guò)80%的Al2Sm顆粒起到了α-Mg的非均勻形核核心的作用，此比例遠(yuǎn)高于常規(guī)Al合金和 AZ91合金中的1～2%。前

4、期“Interdependence Theory”研究表明，常規(guī)Al合金和AZ91合金中異質(zhì)形核顆粒有效率較低與晶粒凝固前沿形成的“Nucleation Free Zone”(NFZ)密切相關(guān)，NFZ抑制了所在區(qū)域內(nèi)異質(zhì)顆粒的形核作用。與 Interdependence Theory描述的過(guò)程不同，本文提出以 Al2Sm顆粒為形核核心的形核過(guò)程中不出現(xiàn)NFZ。Al2Sm顆粒在鎂合金熔體中原位形成過(guò)程中，其周圍形成貧溶質(zhì)區(qū)，貧溶質(zhì)區(qū)內(nèi)的L

5、→α-Mg平衡相變溫度高于其它區(qū)域，因此凝固過(guò)程中，貧溶質(zhì)區(qū)內(nèi)會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生過(guò)冷度，促進(jìn)了α-Mg在Al2Sm顆粒表面形核，從而產(chǎn)生晶粒細(xì)化效果。
　　(3)向Mg-9Al合金中添加少量Cu元素(0.2-0.5wt.%)將導(dǎo)致晶粒粗化；當(dāng)Cu加入量≥1wt.%時(shí)，合金晶粒才會(huì)被細(xì)化。0.2 wt.%-Cu元素的加入可促進(jìn)Mg-9Al合金中連續(xù)析出過(guò)程，顯著增加連續(xù)析出相密度，同時(shí)抑制非連續(xù)析出過(guò)程，降低非連續(xù)析出相含量，進(jìn)而顯著提高時(shí)

6、效后合金的力學(xué)性能。
　　(4)基于第一性原理和經(jīng)典形核-生長(zhǎng)理論模型的計(jì)算結(jié)果表明，Cu元素的加入能夠顯著提高M(jìn)g-9Al合金中固溶原子與空位的結(jié)合能，并顯著降低Al元素?cái)U(kuò)散過(guò)程中的勢(shì)壘，提高固溶處理后合金中的空位密度，提高Al元素在合金中的擴(kuò)散速率，從而促進(jìn)連續(xù)析出過(guò)程并抑制非連續(xù)析出過(guò)程。此外，第一性原理的計(jì)算還表明，Al-Cu原子對(duì)的結(jié)合能高于Al-Al原子對(duì)的結(jié)合能，側(cè)面說(shuō)明Cu元素加入后傾向于與 Al原子形成微觀偏聚，