Mg-Al系合金中α-Mg晶粒細(xì)化與富錳相轉(zhuǎn)變的研究.pdf

1、作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，Mg-AL系合金常被應(yīng)用在汽車工業(yè)中以替代其他金屬材料，但是，Mg-Al系合金較低的強(qiáng)度和塑性變形能力限制了其廣泛應(yīng)用。對(duì)Mg-Al系鑄態(tài)合金進(jìn)行晶粒細(xì)化可同時(shí)提高其強(qiáng)度和塑性，但至今仍沒(méi)有一種可工業(yè)應(yīng)用的高效晶粒細(xì)化劑。另外，準(zhǔn)確把握Mg-Al系合金碳質(zhì)孕育法、合金化法和FeCl3法的晶粒細(xì)化機(jī)理可為有效控制該合金晶粒尺寸提供重要幫助，但上述機(jī)理尚不明確。因此，制備一種優(yōu)良晶粒細(xì)化劑和探明眾多晶粒細(xì)化方法的細(xì)化機(jī)理具

2、有重要意義。
　　 本文利用高倍視頻光學(xué)顯微鏡(HSVM)、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱分析儀(DSC)、電子探針顯微分析儀(EPMA)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)分析了采用熔體反應(yīng)、粉末冶金和高能球磨制備的Mg-Al系合金含碳晶粒細(xì)化劑的相組成、微觀組織及細(xì)化行為，分析了碳質(zhì)孕育法的晶粒細(xì)化機(jī)理，研究了Mn、Ce和Fe對(duì)Mg-Al系合金富錳相轉(zhuǎn)變和晶粒尺寸的影響。本文的主要研究工作如下：
　

3、　 (1)Mg-Al系合金含碳晶粒細(xì)化劑制備及細(xì)化行為
　　 向Al-C熔體中引入Ti元素通過(guò)熔體反應(yīng)法制備了含有A14C3的Al-Ti-C中間合金（Al-0.6Ti-1C和Al-1Ti-1C），在該中間合金中，TiC顆粒分布在A14C3周圍。中間合金中顆粒相的生成機(jī)理是，大部分C首先與Al熔體反應(yīng)生成A14C3:當(dāng)引入Ti后，溶質(zhì)Ti與A14C3反應(yīng)生成TiC，使得Al-C熔體中的A14C3顆粒尺寸減小，其分布得以改善。相比

4、于含有尺寸為15-30umAlC3顆粒的A1-0.6Ti-1C，含有尺寸為4-10umAl4C3顆粒的Al-1Ti-1C對(duì)AZ31合金有更高的晶粒細(xì)化效率。因此，適量Ti的加入可提高含有A14C3的Al-Ti-C中間合金對(duì)AZ31的晶粒細(xì)化效率。
　　 采用粉末冶金法制備的Al-C中間合金（Al-1C和Al-2.5C）中，Al4C3和Al(C)固溶體的混合體分布在Al顆粒界面處，呈現(xiàn)出網(wǎng)狀分布的特點(diǎn)。在中間合金制備過(guò)程中，部分A

5、l(C)固溶體與Al粉反應(yīng)生成Al4C3，而Al粉和石墨粉的球磨和壓實(shí)保證了上述反應(yīng)的進(jìn)行。含有尺寸為2-3umA14C3顆粒的Al-1C中間合金可有效細(xì)化AZ31合金：當(dāng)加入2wt.％該中間合金后，AZ31的晶粒尺寸由580um細(xì)化為140um。
　　 采用高能球磨制備A1-25C球磨粉末可有效細(xì)化Mg-3A1、AZ31(Mg-3A1-1Zn-0.45Mn)和AZ63（Mg-6A1-3Zn-0.35Mn）：當(dāng)加入0.4wt％該

6、粉末后，Mg-3A1晶粒尺寸由400μm細(xì)化為120μm，AZ31晶粒尺寸由850μm細(xì)化至180μm，AZ63晶粒尺寸由650μm減小為170μm。AI-25C球磨粉末在710.4℃下可反應(yīng)生成A14C3，當(dāng)被引入到鎂合金熔體中后，會(huì)生成A14C3相。在碳細(xì)化Mg-3A1中，細(xì)小的A14C3顆粒充當(dāng)了初晶a-Mg的異質(zhì)形核襯底。
　　 (2) Mg-A1系合金中富錳相轉(zhuǎn)變及其對(duì)a-Mg晶粒尺寸的影響
　　 采用Mg-0

7、.72Mn進(jìn)行Mn合金化不能明顯改變Mg-3A1合金的晶粒尺寸。Alo.89MnLll顆粒是Mg-3A1-0.3Mn、Mg-3A1-0.4Mn、Mg-3A1-0.5Mn合金中的主要富錳相，并分布在初晶a-Mg基體內(nèi)或枝晶間區(qū)域，且隨Mn含量提高富錳相顆粒數(shù)量逐漸增加。但上述三種合金與Mg-3A1合金的晶粒尺寸維持在390μm左右，表明Alo.89Mn1.11不是初晶a-Mg的有效異質(zhì)形核襯底。
　　 富錳相在碳細(xì)化Mg-Al-Z

8、n-Mn合金中的異質(zhì)形核襯底形成中起到重要作用，該合金的碳細(xì)化機(jī)理歸因于雙相形核：在碳細(xì)化AZ31(AZ63)中，表層包裹有A14C3的Alo.89Mn1.11（或A18Mn5）分別充當(dāng)了初晶a-Mg的異質(zhì)形核襯底，并且界面相A14C3充當(dāng)了初晶a-Mg的直接異質(zhì)形核襯底。
　　 Ce合金化可有效細(xì)化AZ31：當(dāng)加入0.4wt.％Ce時(shí)，AZ31晶粒尺寸由850μm減小為450μm。Ce的晶粒細(xì)化作用是由于在合金凝固過(guò)程中，Ce

9、在液-固界面前沿富集產(chǎn)生成分過(guò)冷，并阻礙了溶質(zhì)擴(kuò)散從而限制了晶粒長(zhǎng)大。聯(lián)合添加Ce和C降低了碳質(zhì)孕育法對(duì)AZ31的晶粒細(xì)化效率。Ce促使合金中的富錳相發(fā)生了轉(zhuǎn)變，即促使了Al10Ce2Mn7的生成，而抑制了Alo.89Mn1.11的生成，這阻礙了充當(dāng)初晶a-Mg有效形核襯底的表層包裹有A14C3的Alo.89Mn1.11的雙相形核顆粒的形成。
　　 向AZ31合金熔體中引入FeCI3使AZ31發(fā)生了輕微的晶粒粗化，并使合金中的富