Ti弥散强化超细晶AZ61镁合金制备与组织性能研究

发布时间：2020-06-25 05:47

【摘要】：镁合金是目前已应用的最轻质的金属结构材料,在航空航天、轨道交通、电子通讯等领域有很好的应用前景,目前镁合金高端结构材料领域的应用关键技术尚未突破,低成本的镁合金材料强度较低,一般仅用于非承载结构件,近年来航空航天、国防军工、轨道交通以及汽车领域高速发展,而降低能耗和物耗,绿色发展成为世界范围内的主题,因此对于强度和轻量化要求不断提高,亟待开发超(高)强镁合金。镁合金具有较高的Hall-Petch系数,细化晶粒是显著提高镁合金强度最为有效的方法之一,然而,在温度超过393K时,镁合金的流变应力会随温度升高而大幅度降低,而且超细晶组织往往会加剧其高温强度的降低。因此,耐热性能差成为限制超细晶高强镁合金广泛应用的主要问题之一。本研究提出通过机械合金化与粉末体塑性变形致密技术,向AZ61镁合金引入超细Ti质点,制备出AZ61Mg-Ti复合材料,以期实现细晶强化、弥散强化、固溶强化的共同强化作用。而且,超细Ti颗粒的引入,可以抑制镁合金高温下的晶粒长大与晶界滑移,能够确保材料具有很好的高强耐热的特性。研究了机械球磨制备超细Ti弥散强化纳米晶AZ61镁合金粉末工艺,阐明了机械球磨参数对复合粉末镁基体晶粒的细化、Ti颗粒的破碎及弥散化的影响规律,确定了机械球磨制备超细Ti弥散强化纳米晶AZ61镁合金粉末的最佳工艺,机械球磨后镁基体平均晶粒尺寸为46nm,弥散分布的Ti相平均颗粒尺寸为274nm,Mg_(17)Al_(12)相完全分解,材料硬度为147HV。基于相同球磨工艺下AZ61镁合金粉末组织形貌的演变规律,阐明了Ti颗粒对Mg_(17)Al_(12)相分解、复合粉末形貌、镁基体晶粒细化以及粉末硬度演变的作用机理。通过纳米晶AZ61-10at.%Ti复合粉末以及AZ61镁合金粉末在573~723K温度下等温退火处理实验,揭示了含Ti纳米晶镁合金退火处理过程中的组织演变规律,退火处理过程中固溶于镁基体中Ti和Al元素以Ti_3Al相的形式的析出,其颗粒尺寸约为10nm,同时部分Al元素固溶于弥散分布的Ti相或者与其发生反应生成Ti_3Al相;建立了纳米晶镁基体晶粒长大动力学方程,镁晶粒长大规律符合动力学方程:D~n-D_0~n=kt,纳米晶AZ61-10at.%Ti复合材料晶粒长大指数n和激活能Q分别为8和134kJ/mol高于纳米AZ61镁合金的6和118kJ/mol;阐述了退火处理后材料硬度演变规律,在723K等温退火600min后,AZ61-10at.%Ti复合材料的硬度从球磨态147HV降低为130HV。研究了纳米晶AZ61-10at.%Ti复合粉末真空热压致密化工艺,揭示了工艺参数对材料组织性能的影响规律,确定了最佳真空热压参数为723K保温保压1h,材料致密度为98.5%,镁晶粒尺寸82nm,材料的硬度和屈服强度分别为136HV和440Mpa。随后对真空热压材料进行退火处理工艺研究,623K退火处理40h后,材料屈服强度和抗压强度分别为493MPa和556MPa,压缩断裂应变为5.6%,增长了65%。研究了纳米晶AZ61-10at.%Ti复合材料高温变形行为,分析了变形温度和应变速率对流动应力应变的影响规律,揭示了纳米晶镁合金热变形过程中动态再结晶和晶粒长大行为的共存。对真空热压AZ61-10at.%Ti复合材料进行热挤压工艺研究。通过挤压过程中进行数值模拟研究,确定了合适的挤压工艺挤压比和模具温度。研究了材料温度对挤压后AZ61-10at.%Ti复合材料组织性能的影响规律,当材料温度为523K时,挤压后材料晶粒尺寸均匀,平均晶粒尺寸约为180nm,经423k退火处理40h,材料硬度、屈服强度、抗压强度和压缩断裂应变分别为152HV、606MPa、698MPa和12.0%,材料的室温强化机制主要为细晶强化和弥散强化,所占比重分别为49%和48%,AZ61-10at.%Ti复合材料在423K、473K和523K时的压缩屈服强度分别为520MPa、380MPa和162MPa,材料高温强化机制可归因于高温变形过程中弥散分布的超细Ti颗粒可以抑制晶界滑移、晶粒的转动以及晶界的扩散。通过退火处理实验,揭示了超细晶AZ61-10at.%Ti复合材料优异的热稳定性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22
【图文】：

示意图,金属镁,晶体结构,滑移系

1.2.2 镁的滑移系常温常压下镁的晶体结构为密排六方(Hexagonal close packed，简称：HCP)。金属镁的晶体结构示意图如图1-1所示，图中标注了一些指数较低的重要晶面和晶向。镁合金原子最密排方向是<1120 >晶向，在包含<1120 >晶向的晶面中，相对于棱柱面滑移和锥面滑移，基面滑移是镁合金变形中最容易启动的滑移系，镁合金基面滑移遵循Schmid定律，即在滑移面上沿滑移方向的应力达到一定值时，该滑移系就可以开动，该临界值称为临界剪切应力(Critical resolved shear stress，简称：CRSS)

棱柱面,滑移,基面,单晶

研究已经证实，金属镁的基面和棱柱面滑移的CRSS随着温度的升高而降低，而其中棱柱面滑移对应的CRSS降低较为明显，如图1-2所示为金属镁单晶基面和棱柱面滑移的CRSS随温度的演变规律，从图中可以看出，在温度低于573K时，棱柱面滑移的CRSS均显著高于基面滑移，当温度达到573K时，基面滑移和棱柱面滑移的CRSS几乎相等，并且大量实验研究也证实了，在温度高于498K时

【参考文献】