高稀土合金化镁合金半连铸坯料制备及其挤压工艺研究

摘要

镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、阻尼减振效果好、可以实现电磁屏蔽等优点，但是其强度不高，高温性能较差。稀土镁合金具有高强、耐热、耐蚀等优良性能，在航空航天和军工行业有广泛应用前景。近年来相继开发的Mg-Y-Nd-Zr和Mg-Gd-Y-Zr等新型的高强耐热镁合金是典型代表，但其大规格变形坯料的制备困难，塑性变形能力差，是应用受限的主要原因。本课题主要通过采用不同半连铸工艺制备Mg-9Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金锭坯，并对其挤压变形工艺和热处理工艺进行研究，主要结论如下：
　　(1) Mg-9Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金的铸态组织主要由过饱和α-Mg基体和骨骼状的Mg24(GdYZn)5相组成;合金最佳均匀化制度为530℃保温5h，均匀化后的合金组织中Mg24(GdYZn)5相溶解，析出少量Mg12Zn(YGd)相，提高均匀化后的冷却速度（水冷）有利于抑制Mg12Zn(YGd)相的析出;
　　(2)实验采用低频电磁半连铸工艺，以不同结晶器结构（分别为热顶、石墨套和铝套）制备Mg-9Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金锭坯。结果表明，由热顶结构的结晶器制备的锭坯晶粒尺寸最小，边部和心部差别较小，平均晶粒尺寸为39μm，锭坯的硬度最高;使用热项铸造时，适当增大电磁场强度（电流强度）和降低铸造速度有利于锭坯组织细化;
　　(3)铸造工艺对Mg-9Gd-3Y-1.5Zn-0.6Zr合金锭坯的流变行为有显著影响。铸造速度为55mm/min，电磁场条件为f=30Hz，I=68A的热顶铸锭更适合低温高速变形;
　　(4)铸造工艺和挤压速度对挤压态合金组织和性能有显著影响。低速挤压有利于提高合金变形均匀性，细化组织，提高力学性能。铸造速度为55mm/min，电磁场条件为f=30Hz，I=68A的热顶铸造锭坯经慢速(2.5cm/s)挤压后抗拉强度和屈服强度分别为390MPa和330MPa，伸长率为10.6％;
　　(5)热顶铸造锭坯（铸造速度为65mm/min，电磁场条件为f=30Hz，I=68A）慢速(2.5cm/s)挤压并经200℃×30h时效处理后的力学性能最优。其常温下抗拉强度和屈服强度分别为465MPa和364MPa，伸长率为3.5％，250℃时的抗拉强度为315MPa，伸长率为44.7％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 镁合金的种类、特点与用途

1．1．1 镁合金的种类

1．1．2 镁合金的特点

1．1．3 镁合金的用途

1．2 稀土镁合金

1．2．1 稀土元素的分类

1．2．2 稀土在镁合金中的主要作用

1．2．3 稀土镁合金的强化途径

1．2．4 稀土镁合金的发展

1．3 镁合金的制备和塑性变形

1．3．1 低频电磁半连铸制备镁合金锭坯

1．3．2 镁合金的塑性变形

1．4 课题的目的和意义

1．5 本课题研究的主要内容

第二章 实验方法

2．1 实验工艺流程

2．2 合金熔炼与铸造制度

2．2．1 实验材料及配料的计算

2．2．2 合金熔铸过程及工艺

2．2．3 合金的实测成分

2．3 合金的热处理工艺

2．4 热压缩模拟研究

2．5 热挤压实验

2．6 组织观察与检测方法

2．6．1 金相组织观察与分析

2．6．2 扫描电镜(SEM)及能谱分析

2．6．3 XRD观察

2．6．4 硬度测试

2．6．5 X射线荧光光谱分析

2．6．6 力学性能实验

2．6．7 断口分析

第三章 铸造工艺和均匀化制度对合金组织的影响

3．1 铸造工艺对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸态微观组织的影响

3．1．1 结晶器结构对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸态微观组织的影响

3．1．2 铸造参数对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸态微观组织的影响

3．2 结晶器结构对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸锭宏观偏析的影响

3．3 铸造工艺对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸锭表面质量的影响

3．3．1 结晶器结构对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸锭表面质量的影响

3．3．2 铸造速度对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸锭表面质量的影响

3．4 铸造工艺对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金铸态硬度的影响

3．5 均匀化对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金微观组织的影响

3．5．1 均匀化前后Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金XRD分析

3．5．2 均匀化对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金微观组织的影响

3．6 本章小结

第四章 铸造工艺对合金热压缩变形行为的影响

4．1 Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金的热压缩组织

4．2 结晶器结构对合金热压缩变形行为的影响

4．3 电磁场强度对合金热压缩变形行为的影响

4．4 铸造速度对合金热压缩变形行为的影响

4．5 本章小结

第五章 挤压态Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金组织和性能研究

5．1 挤压态Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金组织相分析

5．2 挤压速度对Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金组织和性能的影响

5．2．1 挤压速度对热顶铸锭合金微观组织和力学性能的影响

5．2．2 挤压速度对石墨套铸锭合金微观组织和力学性能的影响

5．2．3 挤压速度对铝套铸锭合金微观组织和力学性能的影响

5．3 挤压速度对合金挤压棒材表面质量的影响

5．4 铸造工艺对挤压态合金组织和性能的影响

5．4．1 结晶器结构对挤压态合金微观组织和力学性能的影响

5．4．2 电磁场强度对挤压态合金微观组织和力学性能的影响

5．4．3 铸造速度对挤压态合金微观组织和力学性能的影响

5．5 均匀化对挤压态合金组织和性能的影响

5．5．1 均匀化对挤压态合金微观组织的影响

5．5．1 均匀化对挤压态合金力学性能的影响

5．6 本章小结

第六章 挤压后热处理对合金力学性能的影响

6．1 热处理工艺制定

6．2 时效处理对挤压态合金硬度的影响

6．3 时效处理对挤压态合金力学性能的影响

6．3．1 时效处理对不同结晶器合金力学性能的影响

6．3．2 时效处理对不同铸造条件合金力学性能的影响

6．4 T6处理对挤压态合金力学性能的影响

6．5 峰时效合金的高温拉伸力学性能

6．6 Mg-9Gd-3Y-1．5Zn-0．6Zr合金的拉伸断口形貌

6．7 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢