Al4C3对Mg-Al系合金细化机制及其原位合成的研究

摘要

Mg-Al系合金因其轻量特性能够满足节能减排的工业需求，但是较低的强度和较差的塑性变形能力限制了其应用的进一步发展。因此，Mg-Al系合金晶粒细化和及其细化剂的制备一直是国内外学者研究的热点。除晶粒细化外，颗粒增强也是提高其力学性能的重要手段。本文制备了一种新型Al-3wt.％C中间合金（以下可简称Al-3C，质量分数，下同），用于Mg-Al系合金的细化试验及其机理的研究，并基于此在Mg-Al合金中原位合成了纳米Al4C3粒子。分析了Al-3C中间合金的组织形貌及Al4C3生长机制和形貌演变，并研究其对AZ91、AZ63和AZ31合金的细化行为及对AZ91合金力学性能的影响;分析Mg-9Al合金中α-Mg异质形核衬底，比较AZ91合金和Mg-9Al中α-Mg的形核物相差异，利用物相提取技术研究AZ91合金中的富Mn相，综合分析Mn对碳质细化的影响，从而明确碳质细化机理;利用扩散控制反应法在Mg-Al合金中原位合成纳米Al4C3粒子，研究其组织形貌、反应机理及增强效果。
　　本文的主要研究工作如下:
　　(1)Al-3C中间合金制备及其在Mg-Al系合金中的应用采用液-固反应法原位合成一种弥散型Al-3C中间合金，克服了铝与石墨润湿性差、Al4C3粒子尺寸大且聚集成团等问题，其中Al4C3粒子尺寸多介于1～4μm之间，少量具有亚微米级尺寸，弥散、均匀地分布于铝基体上。Al4C3晶体的三个密排面为{0001}、{1010}和{1011}，其中{1011}晶面具有最快的生长速度，{0001}和{1010}晶面被保留下来成为晶体的外露面，最终Al4C3晶体表现为六角板块状形貌，其表面自由能最低。结合晶体生长热力学和断口粒子形貌分析，Al4C3晶体在生长过程中的形貌演变过程为:球状→多面体→六角板块。Al-3C对AZ91、AZ63和AZ31合金均表现出了良好的细化效果，并且均遵循以下三个规律:1）高效性:保温15min，晶粒尺寸可细化至原始尺寸的1/3;2)抗衰退性:保温至180min，细化效果基本不发生细化衰退;3）60min最佳效果:保温60min，细化效果最佳。AZ91合金经Al-3C中间合金细化后，不仅获得细晶组织，也提高了固溶时效的热处理效果。力学性能方面:布氏硬度提高了10.95％,极限拉伸强度提高了8.59％，同时，延伸率也提高了42.56％。
　　(2)碳质细化Mg-Al(-Mn)合金的形核衬底表征
　　通过FIB(Focused Ion Beam)制样避免α-Mg晶粒形核核心物相的水解，然后利用EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)物相分析技术，证实碳质细化后α-Mg晶粒的异质形核衬底为Al4C3，而且观察到的形核方式为:Al4C3粒子团而非单个粒子作为α-Mg形核核心。Al4C3在720℃的Mg-Al基合金熔体中保温24h仍保持其原始晶体结构、形貌和尺寸，其极佳的稳定性正是细化效果具有良好抗衰退性的根本原因。
　　对于含Mn元素的AZ91合金，经Al-3C细化后，Al8Mn5会对Al4C3颗粒产生依附行为（析出依附和颗粒依附），对α-Mg在Al4C3衬底上形核产生不利影响。然而在Al4C3粒子团中其它未被依附的粒子仍然可以有效地发挥形核作用，该粒子团式的特殊形核方式在一定程度上能够克服Mn元素对形核带来的负面影响。
　　(3)基于扩散控制反应法在Mg-Al合金中原位合成纳米Al4C3粒子
　　以Al-C预制体和纯Mg组成的扩散偶，通过扩散控制反应法在Mg-Al合金中原位合成了纳米Al4C3粒子，其尺寸大都介于50-200nm之间，并以螺旋环型或是流线型均匀分布在基体上，且对Mg-Al合金增强效果良好，显微硬度为360.9HV，相较其基体提高了215％。
　　Al-C预制体于相同的试验条件进行处理后，微观组织和物相组成未发生任何变化，而Al-C预制体与纯Mg组成的扩散偶却发生充分反应生成大量的纳米Al4C3。这是由于界面两侧的Al原子和Mg原子由于化学势梯度的驱动力作用下发生下坡扩散，促进界面焊合并改变合金成分，使得扩散偶中产生液相，进而改变了Al和C的反应路径和动力学，促进Al4C3的生成。

目录

声明

摘要

本文的创新点和主要贡献

1．1 引言

1．2 镁与镁合金及其晶粒细化的意义

1．2．1 镁的筒介

1．2．2 镁合金的主要分类

1．2．3 镁及镁合金的晶粒细化的意义

1．3 镁及其合金晶粒细化的方法

1．3．1 纯镁及乏铝镁合金的晶粒细化方法

1．3．2 Mg-Al系合金的晶粒细化方法

1．3．3 Mg-Al系合金的碳质细化机理

1．4 镁基复合材料研究现状

1．4．1 镁基复合材料的增强体

1．4．2 颗粒增强镁基复合材料的制备工艺

1．5 本文的研究目的、意义及内容

2．1 引言

2．2 研究方案与技术路线

2．3 试验材料、设备及研究方法

2．3．1 试验材料

2．3．2 试验设备和制样工具

2．3．4 Mg-Al系合金的晶粒细化试验

2．4．2 Mg-Al系合金样品

2．4．3 AZ91合金中提取的富锰相样品

2．5 样品的分析和表征

2．5．1 相分析

2．5．2 合金凝固曲线分析

2．6．1 拉伸试验

2．6．2 宏观布氏硬度测试

2．6．3 显微维氏硬度测试

第3章 Al-3C中间合金及其在Mg-Al系合金中的应用

3．1 引言

3．2 Al-3C中间合金的制备及表征

3．3 Al4C3的生长机制研究

3．3．1 Al4C3晶体结构分析

3．3．2 Al4C3晶体的生长机制

3．4 Al-3C中间合金对Mg-Al系合金的晶粒细化行为

3．5 Al-3C中间合金对AZ91合金力学性能的影响

3．6 本章小结

第4章 碳质细化Mg-Al(-Mn)合金的形核衬底表征

4．1 引言

4．3 Mg-9Al合金中α-Mg碳质细化后核心物相表征

4．4 Mn元素对α-Mg碳质细化效果及形核机理的影响

4．5 本章小结

第5章 纳米Al4C3粒子在Mg-Al合金中的原位合成

5．1 引言

5．2 纳米Al4C3粒子基于扩散控制反应法在Mg-Al合金中的原位合成

5．3 纳米Al4C3粒子对Mg-Al合金的增强效果

5．4 Al-C预制体与纯Mg组成扩散偶反应机理

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

附录(Ⅰ) 发表论文

附录(Ⅲ) 参与科研项目

附录(Ⅳ) 所获奖励