Mg-Zn-Y准晶合金凝固过程及准晶相的转变研究

摘要

Mg-Zn-Y二十面体准晶属热力学稳定的三维准晶，由于其优异的力学性能且能与镁产生较强的界面结合力而被广泛用来做镁合金的增强相，具有非常广阔的发展空间。关于二十面体准晶相(I-phase)的生长机制研究仍处于起步阶段，而且对Mg-Zn-Y准晶在高温下的相的平衡转变缺乏系统的研究。由于Mg-Zn-Y准晶在费米能级处存在赝能隙而具有大的电阻率和负的温度系数，可以利用敏感的物性参数电阻率来分析准晶相熔化过程中的变化及其熔体的特征，探索准晶的形核规律。
　　本文通过普通凝固、亚快速凝固和快速凝固等技术制备出Mg-Zn-Y准晶合金并对其进行热处理，分析了合金的微观组织和Mg-Zn-Y合金熔体凝固过程、准晶形成机理和生长方式，研究了热处理过程中相的平衡转变。通过电阻率实验，讨论了Mg-Zn-Y合金中I-phase的形成规律与熔体中二十面体短程序结构的关系。结果表明:
　　Mg-Zn-Y准晶能通过普通凝固、亚快速凝固和快速凝固等方法获得，I-phase在Mg-Zn-Y合金中的形成温度范围很大。不同冷却速度下，I-phase均可直接从过冷熔体中析出。在铸态合金组织中，较小的过冷度使初生I-phase体积分数相对较少，有较多的层状(α-Mg+I-phase)共晶。在亚快速凝固和快速凝固合金组织中无准晶共晶组织，只有较多体积分数的初生I-phase颗粒。在普通凝固过程中，熔体中过剩的Mg元素和Y元素会沿着初生I-phase生长的固-液前沿处富集形成（α-Mg+I-phase）共晶组织，并且I-phase边缘存在溶质分区现象。
　　准晶合金的电阻率-温度曲线明显异于普通合金的，在I-phase分解前有负的温度-电阻率系数，I-phase熔化后，在～1073K处发生可逆的液-液结构转变现象。熔体中存在从固态准晶中遗留具有I-phase结构特征的二十面体短程序(ISRO)原子团簇，ISRO结构的演变导致电阻率的异常变化。降温过程中，少量I-phase从熔体中重新析出使电阻率在～685 K处出现突然增大的趋势。电阻率测试后的微观组织表明，含准晶相的试样中仍存在少量I-phase，而对比试样中只有Z-phase和α-Mg，即I-phase经熔化分解后在凝固过程可以再生成。分析认为以五次对称性为特征的ISRO结构是形成I-phase的根本原因。ISRO结构相悖于传统晶体的周期平移性，而恰能降低二十面体准晶的形核能垒，有利于I-phase形成。在适当冷速下，熔体中ISRO结构可以得以保留，进而演变成I-phase形核的“晶胚”。适当地提高冷却速度可以使更多数量的ISRO结构得以保留，形成较高体积分数的二十面体准晶，相反，当冷却速度足够慢时，熔体中团簇结构会演变成晶体结构。
　　准晶在长大过程中体现出择优生长的特点，而且Y元素富集在五次对称轴(5-f)方向上。准晶优先在沿着5-f方向上形核，并以台阶的形式实现小平面生长方式长大。在沿着5-f方向上通常生长速度较快，2-f方向较慢，导致五次枝晶形貌的形成。普通铸态合金中初生I-phase会经历粗化过程而边缘变得光滑，棱角均在粗化过程中消失。
　　准晶合金在经623K-50h热处理后，I-phase都能稳定存在并发生粗化，且铸态合金中Mg7Zn3分解成MgZn。经693K-30h热处理后，在铸态合金中I-phase内部形成W-phase，平均成分为Mg22.4Zn51.9Y25.7;在(I-phase+α-Mg)共晶区域形成H-phase，平均成分为Mg25.5Zn60.3Y14.2;在I-phase/Mg7Zn3界面处沿5-f方向形成少量D-phase，平均成分为Mg35Zn61Y4。电子衍射表明，W-phase与I-phase位向关系为:[111]w//2-f; H-phase与α-Mg位向关系为:[113]H//[001]Mg，[110]n//[121]Mg。快速凝固合金中I-phase在低温粗化过程中沿着5-f方向长大速度较快，粗化成五花瓣状。在693 K热处理时，I-phase颗粒变成较大的块状准晶组织，却无三元相的转变，固溶的大量Zn原子从基体中扩散析出而形成了少量的Mg7Zn3相。
　　三元相的固态转变主要归因于原子扩散，Y元素不断地在初生I-phase内部富集，过剩的Mg元素由I-phase向基体扩散，从而形成W-phase。而过剩的Mg从I-phase中扩散出去，使MgZn转变为Mg7Zn3。在晶界面积大的区域，原子扩散速率大，为大原子Y的扩散提供了条件，导致H-phase在(I-phase+α-Mg)共晶区形成。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1 镁合金

1．2 准晶

1．2．1 准晶的发现与分类

1．2．2 准晶的形成规律与制备

1．2．3 准晶的特性与应用

1．3 镁系准晶研究现状

1．3．1 Mg-Al-X系准晶

1．3．2 Mg-Zn-Ga系合金

1．3．3 Mg-Zn-RE(RE=稀土元素)系合金

1．4 Mg-Zn-Y准晶与合金熔体结构

1．5 研究内容及意义

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究意义

第二章 实验方案设计与研究方法

2．1 合金制备工艺

2．1．1 实验原料及设备

2．1．2 Mg-Zn-Y准晶合金的制备

2．1．3 实验工艺流程

2．2 Mg-Zn-Y准晶合金的热处理

2．3 Mg-Zn-Y合金电阻率测试

2．4 分析和性能测试方法

第三章 Mg-Zn-Y合金微观组织及准晶相形成机理分析

3．1 引言

3．2 普通凝固Mg-Zn-Y合金微观组织分析与表征

3．2．1 普通凝固Mg-Zn-Y合金显微组织分析

3．2．2 普通凝固Mg-Zn-Y合金HRTEM分析

3．2．3 普通铸造Mg-Zn-Y合金元素分布

3．3 亚快速凝固Mg-Zn-Y合金微观组织分析

3．4 快速凝固Mg-Zn-Y合金微观组织分析

3．5 Mg-Zn-Y准晶的形成和长大机制

3．5．1 Mg-Zn-Y准晶合金凝固过程分析

3．5．2 Mg-Zn-Y准晶长大机理分析

3．6 Mg-Zn-Y准晶形成过程中热力学分析

3．7 本章小结

第四章 Mg-Zn-Y准晶合金高温电阻率行为的研究

4．1 引言

4．2 电阻率测试试样的制备

4．3 Mg-Zn-Y合金电阻率测试试样的微观组织分析

4．4 Mg-Zn-Y准晶合金高温电阻率行为

4．4．1 Mg-Zn-Y合金DSC分析

4．4．2 Mg-Zn-Y合金ρ-T变化曲线

4．5 Mg-Zn-Y准晶的形成与熔体结构的关系

4．5．1 Mg-Zn-Y准晶原子结构

4．5．2 Mg-Zn-Y准晶形核与ISRO的关系

4．6 本章小结

第五章 热处理对Mg-Zn-Y准晶合金微观组织的影响

5．1 引言

5．2 热处理工艺参数

5．3 Mg-Zn-Y准晶合金热处理后微观组织分析

5．3．1 铸态Mg-Zn-Y准晶合金热处理后的微观组织

5．3．2 快速凝固Mg-Zn-Y准晶合金热处理后微观组织

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录