原位自生颗粒增强镁基复合材料的研究

摘要

镁合金具有密度小，比强度和比刚度高，良好的阻尼减震性能，机械加工方便，特别是易于回收利用，具有环保特性；而且在自然界中镁的资源十分丰富。镁的这些优点使其被公认为是面向21世纪的高新技术产业中最有希望大量采用的金属材料之一。但是现有镁合金存在着弹性模量低，强度低，耐磨性能差，耐热性能差等不足，这极大地制约了镁合金的发展应用。向镁合金中加入高强度、高弹性模量、高熔点的纤维、晶须或颗粒等制成镁基复合材料，是提高镁合金性能的有效途径之一。本文针对镁合金的高温强度与蠕变性能较差的缺点，以工业上广泛应用的低成本的ZM5镁合金为基体，通过原位复合技术获得自生的TiC、MgO或Mg2Si颗粒增强的镁基复合材料，提高材料的高温强度和抗蠕变性能，促进其在200℃左右的高温领域下应用。 在真空感应炉中氩气保护下，通过在镁合金熔体中分别加入Ti-C-Al粉末预制块、SiO2或Si等获得自生的TiC、MgO或Mg2Si颗粒增强镁基复合材料。通过光学显微镜、SEM、TEM、XRD、EDAX、电子拉伸机和高温蠕变仪等分析测试手段，对自生颗粒增强的镁基复合材料的制备工艺、组织结构及力学性能等进行系统的研究。主要研究结果如下： 1、对放热反应法、直接反应法和铸造法三种原位复合工艺制备TiC、MgO和Mg2Si粒子增强镁基复合材料的制备机理及工艺、显微组织和力学性能的系统研究和比较发现，用铸造法制备的自生Mg2Si增强镁基复合材料，不仅工艺简单，而且有良好的力学性能，尤其是高温性能，因而有很好的工业应用前景。 采用放热反应法在Mg液中加入Ti-C-Al、Ti-C或Ti-C-Mg粉末预制块均能得到TiC粒子，但反应获得的TiC粒子烧结严重，无法获得分布均匀的镁基复合材料；采用两步法，即先制备出TiCp/Al预制块，然后将其加入镁熔体中，通过优化工艺成功地制备出TiC粒子分布均匀的TiCp/ZM5复合材料，并提出了TiCp/Al预制块在镁液中的熔化机理。TiCp/Al预制块在Mg液中的熔化机理是基体Al熔化扩散进入到Mg液中，而聚集的TiC粒子需通过剪切破坏和Mg液流动才能进入到Mg液中。TiC粒子与ZM5基体之间的界面洁净，没有明显的界面产物产生；TiCp/ZM5复合材料中，加入TiC粒子后，基体合金晶粒明显细化，γ(Mg17Al12)相变细小。TiCp/ZM5复合材料的抗拉强度、屈服强度、硬度和耐磨性明显高于ZM5合金，但伸长率有所降低。 对直接反应法制备MgO增强镁基复合材料的研究表明：虽然反应添加物SiO2、B2O3、Al2O3在热力学上都能与Mg液原位反应生成MgO增强相，但动力学试验发现，在镁液的熔化温度范围，只有SiO2易于与Mg反应获得MgO，用Al2O3和B2O3作为反应物，很难得到所需的MgO粒子。在镁液中直接加入SiO2反应生成的MgO大多沉积在坩埚底部，必须通过机械搅拌才能获得分布均匀的MgO粒子增强镁基复合材料。该材料具有良好的力学性能，尤其是高温强度。 采用铸造法，在镁液中加入Si可直接获得自生Mg2Si相增强的镁基复合材料，具有良好的力学性能，尤其是高温强度。与制备TiCp/ZM5复合材料的放热反应法和MgO/Mg复合材料的直接反应法相比，该法不需增加机械搅拌工艺，工艺最为简单。 2、对铸造法制备的自生Mg2Si/ZM5复合材料进行系统的研究表明：自生Mg2Si/ZM5复合材料中Mg2Si以初生相和共晶相两种形式存在，共晶的Mg2Si为不规则的汉字状，初生的Mg2Si为块状或树枝状。Si加入量对Mg2Si形态影响规律为：当Si加入量较少时(≤1.0％)，主要形成共晶的汉字状Mg2Si相；当Si加入量中等时(1.5％左右)，形成块状的初生Mg2Si相和汉字状共晶Mg2Si相；Si加入量较高时(≥2.0％)，形成树枝状的初生Mg2Si相和汉字状的共晶Mg2Si相，且加入的Si量越多，树枝越发达。利用SEM技术分析并揭示Mg2Si相的固-液界面结构是小平面界面，其长大机理为台阶生长机制。 固溶处理时，Mg2Si/ZM5复合材料中的Mg2Si相难于固溶到基体中，表现出良好的热稳定性。时效时，Mg2Si/ZM5复合材料与ZM5合金相似，过饱和固溶体不经过任何中间阶段直接析出非共格的平衡相γ(Mg17Al12)，γ相以连续析出和非连续析出两种方式析出。非连续析出相在晶界处形成，向晶内长大。Mg2Si相可减少非连续析出物的数量，而使连续析出物数量增加。众所周知，连续析出相的性能要优于非连续析出相，因而，Mg2Si的存在有利于提高材料的性能。能谱分析表明，析出的γ相中不含Si元素。 在铸态和T6处理态下，Mg2Si/ZM5复合材料的室温与高温(200℃)强度都比ZM5合金高。加入1.5％Si形成的Mg2Si/ZM5复合材料强度最好。铸态和T6态下，高温(200℃)屈服强度分别比ZM5合金高25.7％和13.4％，但伸长率均有所降低。Mg2Si/ZM5复合材料的蠕变性能明显高于ZM5合金。在175℃，50MPa条件下，其蠕变性能提高得最多：蠕变速率显著降低，仅为ZM5合金的13.6％；蠕变寿命显著提高，达171.2h，是ZM5合金的5.84倍。Mg2Si/ZM5复合材料的蠕变机制是第二相颗粒增强机制。 3、通过对自生Mg2Si/ZM5复合材料的变质研究表明：Sr和Ca对Mg2Si/ZM5基复合材料中的增强相Mg2Si有着较明显的变质效果。Mg2Si/ZM5复合材料中，加入Sr或Ca后，Mg2Si相由粗大的树枝状、块状或汉字状变为细小的多角形块状。Sr和Ca的加入量都有一个合适值。TEM及能谱分析表明，Sr和Ca都是一种表面活性剂，易吸附在Mg2Si相表面。Sr元素还能进入到Mg2Si相中，改善其形态。Ca能固溶于Mg17Al12相中，提高其热稳定性，固溶处理时，延缓了Mg17Al12相的溶解，延长了固溶时间；时效处理时，Ca的加入，抑制了Mg17Al12相的非连续析出。Sr和Ca的加入可明显提高材料的室温与高温力学性能，尤其是在提高高温强度的同时，其高温下的塑性仍得到较大幅度的提高。用Ca变质的Mg2Si/ZM5复合材料高温(200℃)蠕变性能显著提高。用0.1％Ca变质后的Mg2Si尺寸比用0.3Sr％的小，同时加入0.1Ca％+0.3Sr％变质的Mg2Si尺寸比单独加入的略大。用Sr变质后的复合材料在室温和高温拉伸时的伸长率都比用Ca和Ca、Sr联合变质的高，但屈服强度比它们低。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明和关于学位论文使用授权说明

前言

第一章文献综述

1.1铸造镁合金的研究与发展现状

1.1.1铸造镁合金材料的发展

1.1.2当前铸造镁合金研究发展的主要动向

1.2镁基复合材料的研究与发展现状

1.2.1镁基复合材料的组织特征

1.2.2镁基复合材料的制备方法

1.2.3镁基复合材料的组织与性能

1.2.4镁基复合材料的应用

1.2.5镁基复合材料研究领域有待进一步探索的问题

第二章试验方法

2.1增强相的选择

2.2原材料的准备

2.3合金的熔炼设备及浇注工艺

2.3.1熔炼设备

2.3.2熔炼工艺特点及选择

2.3.3铸造工艺

2.4拉伸试样的制备和热处理

2.4.1拉伸试样制备

2.4.2热处理工艺

2.5力学性能测试

2.5.1硬度测试

2.5.2常规拉伸性能测试

2.5.3抗蠕变性能试验

2.6微观组织分析

2.6.1金相显微分析

2.6.2合金晶粒尺寸的测量

2.6.3断口形貌及微区成份分析

2.6.4 TEM分析

2.6.5 X-射线衍射分析

第三章自生镁基复合材料的制备方法研究

3.1放热反应法制备TiC粒子增强镁基复合材料的研究

3.1.1镁液中通过放热反应直接制备TiC粒子增强镁基复合材料的研究

3.1.2镁液中加入TiCp/A1预制块制备TiC粒子增强镁基复合材料的研究

3.2直接反应法制备MgO粒子增强镁基复合材料的研究

3.2.1反应添加物与镁液反应的热力学分析

3.2.2反应添加物在镁液中的反应动力学试验及分析

3.3铸造法制备Mg2Si原位增强相增强镁基复合材料的研究

3.4镁基复合材料的力学性能

3.4.1镁基复合材料的力学性能

3.4.2镁基复合材料的拉伸断口分析

3.5本章小结

第四章Si对Mg2Si/ZM5复合材料组织和性能的影响

4.1 Si对Mg2Si/ZM5复合材料铸态组织的影响

4.1.1 ZM5合金铸态组织特征

4.1.2 Mg2Si/ZM5复合材料铸态组织特征

4.1.3 Si对Mg2Si/ZM5复合材料铸态组织的影响

4.2 Mg2Si/ZM5复合材料中Mg2Si的形貌

4.3 Mg2Si/ZM5复合材料热处理后的组织

4.3.1 Mg2Si/ZM5复合材料固溶处理后的组织

4.3.2 Mg2Si/ZM5复合材料的时效析出动力学过程的研究1

4.3.2 Mg2Si/ZM5复合材料的时效析出动力学过程的研究2

4.4 Si对Mg2Si/ZM5复合材料力学性能的影响

4.4.1 Si对Mg2Si/ZM5复合材料室温力学性能的影响

4.4.2 Si对Mg2Si/ZM5复合材料高温力学性能的影响

4.4.3 Mg2Si/ZM5复合材料拉伸断口形貌分析

4.4.4 Si对Mg2Si/ZM5复合材料高温蠕变性能的影响

4.5分析与讨论

4.5.1 Si在ZM5合金中的存在形式

4.5.2 Mg2Si的生长机制

4.5.3 Mg2Si/ZM5复合材料的时效析出机制分析

4.5.4 Mg2Si对Mg2Si/ZM5复合材料力学性能的影响

4.6本章小结

第五章Sr、Ca对Mg2Si/ZM5复合材料组织和性能的影响

5.1 Sr对Mg2Si/ZM5复合材料组织和力学性能的影响

5.1.1 Sr对Mg2Si/ZM5复合材料组织的影响

5.1.2 Sr在Mg2Si/ZM5复合材料中的存在形式及其变质机理初探

5.1.3 Sr对Mg2Si/ZM5复合材料力学性能的影响

5.2 Ca对Mg2Si/ZM5复合材料组织和力学性能的影响

5.2.1 Ca对Mg2Si/ZM5复合材料组织的影响

5.2.2 Ca在Mg2Si/ZM5复合材料中的存在形式

5.2.3 Ca对Mg2Si/ZM5复合材料热处理过程的影响

5.2.4 Ca对Mg2Si/ZM5复合材料拉伸力学性能的影响

5.2.5 Ca对Mg2Si/ZM5复合材料蠕变性能的影响

5.3 Sr、Ca对Mg2Si/ZM5复合材料变质效果的比较

5.4本章小结

第六章总结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间主要的研究成果