冷却速率对镁基准晶形成机制影响的研究

摘要

本论文系统的研究了不同冷却速率对Mg-Zn-Y 合金中准晶相的影响，探讨了准晶相的生长过程和形成机理，冷却速率对Mg-Zn-Y 准晶相显微组织的影响，冷却速率对准晶相热力学及动力学性质的影响。
　　 本文针对Mg-Zn26.5-Y1.5(at.[％])合金在不同冷却速度下的铸态组织，采用了光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)等研究方法，对其显微组织、相结构和相组成等进行了分析。系统分析了冷却速率对准晶显微组织的影响，得到准晶相形貌随冷却速率的变化规律；分析了准晶相的形成机制和生长过程；冷却速率越大，准晶相的析出温度越低；合金凝固组织中准晶相的含量在最佳冷却速率下最高。
　　 对于Mg30Zn60Y10 准晶相，建立了自由能计算模型，并简化了算法，得到了准晶相的自由能。在平衡凝固条件下，当温度下降到液相线温度以下时，准晶相在熔液中具备形成准晶相的热力学条件；同时，形成准晶相的驱动力随温度的降低逐渐增加；对比分析不同冷却速率下的准晶相自由能变化曲线发现：随冷却速率的增加，准晶相的形成驱动力逐渐减小；在快速凝固过程中，冷却速率过大的情况下，准晶的形成受到抑制，准晶相在熔液中不易形成。
　　 根据经典形核理论，引入所计算出的准晶相自由能数据，计算得到了准晶相的形核功和形核率。计算结果表明，在合金熔体中，准晶相的形核功自液相线以下迅速减小，表明准晶相具备在熔体中初生形核的动力学条件；形核率随着过冷度的增加迅速增加；在较大的冷却速率下，准晶相形核功较高；但是，随着冷却速率的增大，形核率急剧提高，形核率的增加量远远大于准晶相形核功的增加量，表明适当的提高冷却速率有利于准晶相的形核。