強剪下熔體處理對壓鑄鎂合金組織和性能最佳化機理

《強剪下熔體處理對壓鑄鎂合金組織和性能最佳化機理》是依託北京科技大學，由王西濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：強剪下熔體處理對壓鑄鎂合金組織和性能最佳化機理
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：王西濤
• 項目類別：面上項目

項目摘要

細化晶粒和改善強化相形態分布是提高鎂合金綜合性能的重要手段。對於AS系耐熱鎂合金，由於粗大漢字狀Mg2Si相的形成，惡化了其力學性能，需要尋求改善其形貌和分布的有效途徑。強剪下熔體處理在細化晶粒和改善第二相性狀方面均顯示了良好的效果，在高性能AS系耐熱鎂合金製備方面具有很好的潛力。本項目利用研究組建立的雙螺旋強剪下熔體處理設備，針對AS系鎂合金，採取熔體處理+壓鑄成形工藝，研究強剪下熔體處理細化晶粒和改善析出相形態、分布的冶金機理，在此基礎上最佳化合金成分設計和熔體處理成形工藝，以期製備出具有良好的顯微組織形態和優良綜合力學性能的AS系耐熱鎂合金。另外，利用這一設備的強分散能力，可以採取外加Mg2Si顆粒的輔助手段，獲得普通方法難以製備的高Mg2Si體積分數耐熱鎂合金，以獲得更好的高溫性能。本項目已具有良好的技術積累和獨特完善的設備條件，可以預期獲得良好的研究成果。

結題摘要

細化晶粒和改善強化相形態分布是提高鎂合金綜合性能的重要手段。對於AS系鎂合金，由於常規凝固條件下生成粗大漢字狀Mg2Si相嚴重惡化其力學性能，本項目在不添加微合金元素的情況下，通過強剪下熔體處理工藝，顯著細化AS41合金基體的晶粒大小，630℃下從未攪拌的60μm減小到經過攪拌的15μm，同時間接抑制了Mg2Si相的長大。 通過計算AS系鎂合金的凝固過程，發現其主要的相反應是共晶反應L→α-Mg+Mg2Si。計算熔體中兩相的Jackson因子，依據共晶理論，該反應屬於非規則共晶，從而造成Mg2Si相在凝固組織中形態的多樣性。Mg2Si在組織中主要有兩種分布形態：先共晶Mg2Si和共晶組織中的Mg2Si。 先共晶Mg2Si在熔體中以小平面方式生長，晶體外形受熔體局部熱擴散、溶質濃度擴散以及毛細作用的影響很大，對生長環境和雜質濃度敏感。在凝固組織中可見立方體、八面體、漏斗狀晶體等不同外形的Mg2Si相，這是由於局部生長環境造成Mg2Si的[100]和[111]方向的相對生長速度不同所致。 實驗發現共晶Mg2Si相在AS41合金中表現為連續分布的彎曲片層，厚度約為1μm。根據文獻報導，這種彎曲片層的生長機理應為利用晶體缺陷（螺位錯或孿晶凹角）生長，但本項目嘗試用FIB制樣，尚未成功。 由於AS系鎂合金中Mg2Si相與基體Mg相具有電位差，為提高鎂合金的耐蝕性，本項目開發了一種單相高強Mg-1.5Zn-0.6Zr合金，並研究了該合金在高、低兩種浸蝕環境中的腐蝕行為並揭示其機理。研究發現，Mg-1.5Zn-0.6Zr合金表現為單相等軸晶組織特徵，具有較高的極限抗拉強度和延伸率。在5%NaCl溶液和Hank’s溶液中，Mg-1.5Zn-0.6Zr合金的降解速率均顯著低於AZ91D合金，並表現為顯著的均勻腐蝕特徵。 此外研究表明，Sc能顯著細化Mg-1.5Zn-0.6Zr-xSc合金的平均晶粒尺寸；隨著Sc含量的升高，合金中析出物的種類和數量都增大。隨著Sc含量的升高，合金的屈服強度升高、延伸率下降、硬度和耐磨性都升高。低含量Sc添加（x 0.2%）可以最佳化合金的腐蝕行為，而高含量Sc則會惡化合金的腐蝕行為。 在此基礎上研究了擠壓變形對合金組織和性能的影響。經擠壓加工後，Mg-1.5Zn-0.6Zr-0.2Sc合金晶粒得到明顯的細化，強塑性硬度都有所提高，腐蝕速率下降。