镁铝碳铈合成及在镁合金中细化效率研究

摘要

镁合金密度小，电子屏蔽能力强，阻尼减震性能好，机械加工方便，使其在汽车、电子、航空等领域获得了越来越广泛的应用。但镁合金的应用远不及其它主要金属材料，造成这种现状的主要原因在于镁合金材料自身的强度低、脆性大、耐蚀性差和高温性能差等原因。因此，通过晶粒细化的方法，积极探索改善镁合金的力学性能和成形性能的途径，对于推动镁合金材料的应用并发挥其性能优势具有重要意义。
　　 在隔绝空气的条件下采用粉末原位合成工艺，利用Mg-Al-C三元系和Mg-Al-C-Ce四元系，分别制备了具有良好界面的Mg-Al4C3及Mg-Al4C3-Ce中间合金，并利用XRD、SEM和EDS分析了中间合金的物相组成、微观形貌及微区成分。Mg的加入有利于降低Al-C合成反应的温度，而Ce的加入可减小中间合金中Al4C3的尺寸并改善其分布。
　　 以应用最广泛的AZ91D镁合金为研究对象，选用原位制备的Mg-50％Al4C3及Mg-50％Al4C3-X％Ce中间合金为细化剂，研究其加入量对合金组织的细化作用及性能的影响。此外，研究了Mn、Fe对Al4C3在AZ91D合金中的细化效率的影响，并探讨了相应的晶粒细化机制。
　　 研究结果表明，Al4C3可显著的细化AZ91D合金的α-Mg晶粒，在加入1.8％(Mg-50％Al4C3)时，基体合金的枝晶明显细化，平均晶粒尺寸由36μm降到154μm。当加入1.2％(Mg-50％Al4C3-6％Ce)时，基体合金的枝晶形貌由六重对称状演变为细小的花瓣状，平均晶粒尺寸降至65μm。晶粒细化机制可归结为：Al4C3能够作为α-Mg的异质核心起到细化晶粒作用。稀土Ce除改善中间合金中Al4C3的形貌和分布，提高其细化效率外，还能在合金熔体固液界面前沿形成成分过冷，提高Al4C3形核率，并阻碍α-Mg晶粒长大。
　　 Mn和Fe对Al4C3在AZ91D合金中的细化效率有促进作用，而且发现在初生α-Mg相中有一种以Al-C-O-Mn-Fe为核心，在其外表包覆了Al-C-O外壳的颗粒，该颗粒可能成为α-Mg的异质核心。
　　 由于组织的细化，合金的力学性能提高，耐腐蚀性能有一定程度的改善。Fe元素的存在降低了AZ91D镁合金的耐腐蚀性，而Mn作为除铁剂则对合金的耐腐蚀性有增强作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1 金属镁

1.2 镁合金

1.3 镁合金的应用

1.4 镁合金的强韧化处理

1.4.1 细晶强化

1.4.2 合金化强化

1.4.3 热处理强化

1.4.4 复合强化

1.5 镁合金细化剂的研究进展

1.5.1 含Zr晶粒细化剂

1.5.2 碳质孕育剂

1.5.3 原位颗粒和中间合金

1.6 含Al4C3晶粒细化剂的制备

1.7 稀土元素对细化剂合成的影响

1.8 Fe、Mn元素对镁合金的影响

1.9 研究目的和内容

第2章 实验过程及研究方法

2.1 实验原材料

2.2 实验方法

2.2.1 中间合金原位粉末合成

2.2.2 AZ91D合金的熔炼

2.2.3 热处理工艺参数

2.3 试样的制备与测试

2.3.1 试样的制备

2.3.2 组织与性能测试

第3章 Mg—Al4C3—(Ce)中间合金粉末制备

3.1 热力学计算

3.1.1 标准反应热效应计算

3.1.2 Mg—Al—C—Ce四元体系的吉布斯自由能

3.2 物相组成与显微结构分析

3.3.1 Mg—Al4C3中间合金

3.2.2 Mg—50％Al4C3—Ce中间合金

3.3 稀土Ce在中间合金制备中的作用

3.4 Mg—Al4C3—Ce中间合金的合成机理

第4章 中间合金对AZ91D组织的影响

4.1 AZ91D合金基体组织

4.2 Mg—Al4C3中间合金对AZ91D合金组织的影响

4.2.1 不同Mg含量的Mg—Al4C3中间合金

4.2.2 Mg—50％Al4C3对AZ91D合金组织的影响

4.3 Mg—Al4C3—Ce中间合金对AZ91D合金组织的影响

4.3.1 Mg—50％Al4C3—X％Ce中间合金

4.3.2 Mg—50％Al4C3—6％Ce中间合金

4.4 Fe、Mn对AZ91D合金中Al4C3细化效率的影响

4.4.1 Fe

4.4.2 Mn

4.5 细化机理

4.5.1 Al4C3细化机理

4.5.2 Ce的细化机理

4.5.3 Mn、Fe影响Al4C3细化效率的机制

第5章 中间合金对AZ91D合金性能的影响

5.1 力学性能

5.1.1 布氏硬度

5.1.2 拉伸性能

5.2 腐蚀性能

第6章 结 论

致 谢

参考文献

附 录 攻读硕士期间的研究成果