Al-Ti-B/C中间合金及Y、Gd对AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响

摘要

镁合金是重要的轻量化结构材料，AZ31镁合金（以下简称“AZ31”）是最常用的变形镁合金。由于常规铸造条件下AZ31晶粒比较粗大，导致其铸态力学性能较差，粗大的晶粒还会影响后续变形加工过程，不利于获得理想的变形态组织。这些因素在很大程度上限制了AZ31进一步的推广应用。因此，开展AZ31的晶粒细化研究具有重要意义。
　　添加中间合金细化剂是细化铸态晶粒的常用方法之一，基于目前众多学者的研究工作可知，通过Al-Ti-B/C中间合金向AZ31中引入TiAl3、TiB2、Al4C3或TiC相可以使晶粒得到不同程度的细化。然而，中间合金不同的成分配比会导致其相组成的差异，这可能会影响Al-Ti-B/C中间合金对AZ31的晶粒细化能力。探究该问题对AZ31晶粒细化剂的优选制备、细化机理的分析都有重要意义，而目前相关的研究报道还比较少。稀土是镁合金重要的合金元素，具有显著的阻燃和强化效果。但是，有关稀土元素对AZ31晶粒尺寸的影响及作用机理的研究还比较有限，细化剂与稀土复合添加对AZ31的影响更是未见公开报道。针对这一现状，本论文通过调控成分配比制备了6种不同相组成的Al-Ti-B/C中间合金，研究了它们对AZ31晶粒尺寸的影响，确定了其中具有最优细化效果的中间合金的相组成;探究了2种稀土元素(Y、Gd)对AZ31铸态晶粒尺寸的影响，并对作用机理进行了分析;将具有最优细化效果的Al-Ti-B/C中间合金和稀土元素复合添加，研究两者复合作用下AZ31铸态晶粒的细化行为以及细化效果的衰退行为。此外，还进行了中间合金细化剂及稀土对AZ31轧制态组织（晶粒尺寸、织构），以及铸态、轧制态拉伸力学性能的影响的研究。具体内容如下:
　　(1)采用熔盐辅助合成法制备了3种Al-Ti-B中间合金:Al-6Ti、Al-5Ti-1B、Al-4.1Ti-1.9B，研究了Ti、B含量对Al-Ti-B中间合金相组成的影响:随着Ti、B质量比减小至2.2（对应TiB2中的Ti、B质量比），相组成发生TiAl3→TiAl3+TiB2→TiB2的转变。不同的相组成对Al-Ti-B中间合金细化AZ31铸态晶粒的能力有显著影响，同时含有TiAl3和TiB2的Al-5Ti-1B可以将AZ31铸态平均晶粒尺寸从280μm减小至149μm（细化率46.8％），比Al-6Ti(只含有TiAl3)和Al-4.1Ti-1.9B（只含有TiB2）细化效果更好。这是TiAl3释放的溶质Ti和TiB2颗粒团共同作用的结果。采用熔体中的自蔓延高温合成法制备了3种Al-Ti-C中间合金:Al-7.8Ti-0.4C、Al-7.3Ti-1.8C、Al-6.1Ti-4.6C，揭示了随着预制块中C含量的增加，Al-Ti-C中间合金的相转变规律:TiAl3+TiC→TiC→TiC+Al4C3，并探究了反应机理。研究了3种不同相组成的Al-Ti-C中间合金对AZ31铸态晶粒的细化作用，含有Al4C3和TiC的Al-6.1Ti-4.6C可以将AZ31铸态平均晶粒尺寸从280μm减小至109μm（细化率61.1％），比Al-7.8Ti-0.4C(含有TiAl3和TiC)和Al-7.3Ti-1.8C（只含有TiC）细化效果更好，这是由于Al4C3和TiC的异质形核作用提高了形核率。添加溶质元素和引入形核颗粒都是细化AZ31铸态晶粒的有效途径，两者同时添加能够使细化效果得到进一步提升，而理想的形核颗粒对AZ31铸态晶粒的细化更加重要。研究了6种Al-Ti-B/C中间合金中细化效果最好的Al-6.1Ti-4.6C对AZ31轧制态组织的影响:轧制态晶粒得到细化，但织构并没有得到弱化。Al-6.1Ti-4.6C的添加还可以使AZ31铸态、轧制态拉伸力学性能得到提升。
　　(2)研究了Y、Gd元素对AZ31铸态晶粒的影响:添加1-3％Y会在AZ31中生成Al2Y相，随着Y加入量的增多，AZ31铸态晶粒呈现先粗化、后细化的变化趋势。添加1-3％Gd会在AZ31中生成Al2Gd和Al3Gd相，随着Gd加入量的增多，AZ31铸态晶粒同样呈现先粗化、后细化的变化趋势。晶粒尺寸的变化是两方面因素综合作用的结果:①Y、Gd与Al之间发生反应消耗了熔体中的Al元素，弱化了Al自身的细化效果，使晶粒发生粗化;②新生成的Al2RE相在凝固过程中充当异质形核基底，提高形核率，实现晶粒细化。相比Y元素而言，Gd元素对AZ31铸态晶粒的细化效果更加显著，3％Gd可以将AZ31铸态平均晶粒尺寸从280μm减小至116μm（细化率58.6％），这也会对AZ31轧制态组织产生影响:轧制态晶粒尺寸得到细化，织构也有所弱化。AZ31+3％Gd合金铸态、轧制态的拉伸力学性能也得到了提升。
　　(3)研究了细化效果最好的Al-Ti-B/C中间合金(Al-6.1Ti-4.6C)和Gd复合添加对AZ31铸态晶粒的影响:平均晶粒尺寸从280μm减小至78μm（细化率72.1％），比单独添加Al-6.1Ti-4.6C或Gd时的细化效果更加显著。实验结果表明，向AZ31中添加形核颗粒来细化铸态晶粒时，增加颗粒相的种类能够提升细化效果，降低AZ31的最小平均晶粒尺寸。Al-6.1Ti-4.6C和Gd复合添加后，熔体保温时间在30min以内时，晶粒尺寸变化不大，进一步延长保温时间会使晶粒发生较明显的粗化。基于Stokes公式计算和对铸锭的微观组织分析得出，Al4C3、 TiC、Al2Gd颗粒的沉降是细化效果衰退的主要原因。研究了复合添加对AZ31轧制态组织的影响:轧制态平均晶粒尺寸从30μm减小至4μm，(0002)面的最大极密度从14.484减小至12.609，相比单独添加，复合添加对轧制态晶粒的细化、织构的弱化效果更加显著。复合添加还使AZ31得到了比单独添加时更加显著的强化效果:铸态屈服强度从41.7MPa提升到67.9MPa，抗拉强度从105.2MPa提升到175MPa，伸长率从8.4％提升到10.9％;轧制态屈服强度从192.5MPa提升到261.6MPa，抗拉强度从222.8MPa提升到286.4MPa，伸长率从5.4％提升到7.7％。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 镁及镁合金概述

1．2 镁合金晶粒细化的意义

1．3 镁合金晶粒细化的方法

1．3．1 不含铝镁合金的晶粒细化

1．3．2 含铝镁合金的晶粒细化

1．4 中间合金细化剂的制备方法

1．5 晶粒细化理论研究现状

1．5．1 形核颗粒相关理论

1．5．2 溶质元素相关理论

1．5．3 相互依赖模型

1．6 镁合金的塑性变形

1．7 变形镁合金的织构

1．8 本文选题意义及主要研究内容

2 实验方法

2．1 实验材料及设备

2．2 实验样品的制备

2．2．2 Al-Ti-C中间合金的制备

2．2．3 镁合金晶粒细化实验

2．2．4 AZ31板材的轧制工艺

2．3 实验样品的表征

2．3．1 化学成分分析

2．3．2 X射线衍射分析

2．3．3 微观组织分析

2．3．4 晶粒尺寸分析

2．3．5 宏观织构分析

2．3．6 拉伸力学性能测试

2．4 本章小结

3 Al-Ti-B／C中间合金对AZ31晶粒尺寸和力学性能的影响

3．1．1 Al-Ti-B中间合金的微观组织分析

3．1．2 Al-Ti-B中间合金对AZ31铸态晶粒尺寸的影响

3．1．3 Al-Ti-B中间合金对AZ31铸态晶粒尺寸的影响机理分析

3．2 Al-Ti-C中间合金对AZ31铸态晶粒尺寸的影响及机理分析

3．2．1 Al-Ti-C中间合金的微观组织分析

3．2．2 Al-Ti-C中间合金对AZ31铸态晶粒尺寸的影响

3．2．3 Al-Ti-C中间合金对AZ31铸态晶粒尺寸的影响机理分析

3．3 Al-6．1Ti-4．6C中间合金对AZ31轧制态组织的影响及机理分析

3．3．2 Al-6．1Ti-4．6C中间合金对AZ31轧制态织构的影响

3．4 Al-6．1Ti-4．6C中间合金对AZ31力学性能的影响

3．4．1 铸态力学性能

3．4．2 轧制态力学性能

3．5 本章小结

4 Y、Gd对AZ31晶粒尺寸和力学性能的影响

4．1 Y、Gd对AZ31铸态晶粒尺寸的影响及机理分析

4．1．1 Y、Gd对AZ31铸态晶粒尺寸的影响

4．1．2 Y、Gd对AZ31铸态晶粒尺寸的影响机理分析

4．2 Gd对AZ31轧制态组织的影响及机理分析

4．2．1 Gd对AZ31轧制态晶粒尺寸的影响

4．2．2 Gd对AZ31轧制态织构的影响

4．2．3 Gd对AZ31轧制态组织的影响机理分析

4．3 Gd对AZ31力学性能的影响

4．3．1 铸态力学性能

4．3．2 轧制态力学性能

4．4 本章小结

5 Al-6．1Ti-4．6C与Gd复合添加对AZ31晶粒尺寸和力学性能的影响

5．1 复合添加对AZ31铸态晶粒尺寸的影响及细化效果的衰退行为

5．1．1 复合添加对AZ31铸态晶粒尺寸的影响

5．1．2 复合添加作用下铸态晶粒细化效果的衰退行为及机理分析

5．2 复合添加对AZ31轧制态组织的影响及机理分析

5．2．1 复合添加对AZ31轧制态晶粒尺寸的影响

5．2．2 复合添加对AZ31轧制态织构的影响

5．2．3 复合添加对AZ31轧制态组织的影响机理分析

5．3 复合添加对AZ31力学性能的影响

5．3．1 铸态力学性能

5．3．2 轧制态力学性能

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介