合金元素在镁合金中扩散行为的研究

发布时间：2018-04-12 14:28

本文选题：镁合金 + 扩散　；参考：《重庆大学》2016年博士论文

【摘要】：由于轻量化和节能的要求,镁合金在汽车和航空航天工业中越来越受到人们的关注。在镁合金的凝固、热处理和沉淀析出过程中的组织演变与扩散息息相关,另外扩散对镁合金的其他宏观性能也起重要的作用,如塑性变形、铸造性能、高温强度和抗蠕变性能。因此,需要准确的扩散数据来指导镁合金的加工制备过程。然而,由于镁合金表面易腐蚀和易氧化,导致镁合金的扩散偶制备难度特别大,因此,镁合金扩散相关的研究报道较少。本文利用扩散偶的方法,通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等分析表征手段,系统的研究了合金元素在镁合金中的扩散行为和金属化合物的形成过程。主要结果如下:利用固/固和固/液扩散偶方法研究Mg-40Al与Mg-X(X=20Ca、20Ce、20La、30Nd、30Y)镁中间合金组成的扩散偶在350-400°C和475-525°C之间的合金元素的扩散行为和界面处Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)金属化合物的形成过程。在固/固和固/液扩散偶的界面处都有明显的扩散层生成。在固/固扩散偶中原始界面将扩散层分成两层,靠近Mg-40Al基体的反应层为贫铝层,靠近Mg-X(X=20Ca、20Ce、20La、30Nd、30Y)基体为金属化合物层,但是在固/液扩散偶中,扩散层组织均匀,没有分层现象。在固/固和固/液扩散过程中,Al均为主要的扩散元素,Al越过原始界面扩散到Mg-X(X=20Ca、20Ce、20La、30Nd、30Y)基体中,并分别与Ca、Ce、La、Nd、Y反应,生成Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)的金属化合物,而Ca、Ce、La、Nd和Y均未越过原始界面向Mg-40Al基体扩散。在固/固扩散偶中,利用Miedema模型计算发现在Mg-Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)三元体系中的Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)二元金属化合物的生成焓最低。在固/液扩散偶中,利用修正的准化学模型(MQM)模型计算了Mg-Al-X(X=Ca、Ce、La、Nd、Y)三元体系中二元金属化合物的吉布斯自由能,结果表明,Al-Ca、Al-Nd、Al_4X(X=Ce、La、Y)、Al_(11)X_3(X=Ce、La、Y)、Al_3X(X=Ce、La、Y)和Al_2X(X=Ce、La、Y)金属化合物的吉布斯自由能比其他二元金属化合物的吉布斯自由能低。在固/固和固/液扩散过程中,扩散层的生长均符合抛物线生长规律。在固/固扩散偶中,扩散层厚度规律为:d_Yd_(Nd)d_(Ce)d_(La)d_(Ca),Al元素在各扩散偶的扩散层中的扩散系数大小规律为:D_(Nd)~(Int,Total)D_Y~(Int,Total)D_(Ce)~(Int,Total)D_(La)~(Int,Total)D_(Ca)~(Int,Total)。在固/液扩散偶中,扩散层厚度规律为:d Yd Ndd_(Ce)d_(La)d_(Ca)。Al在各扩散偶的扩散层中互扩散系数的数量级为10-10-10-11,且大小规律为:D_Y~(Int)D_(Nd)~(Int)D_(Ce)~(Int)D_(La)~(Int)D_(Ca)~(Int)。研究了原子尺寸效应对合金元素在镁合金扩散行为的影响。在Mg-40Al镁中间合金与合金元素的原子半径不同的镁中间合金Mg-20X(X=Cu、Y、Nd、Ce、La、Gd、Ca、Sr)组成的扩散偶中,当rCur Al时,在(Mg-40Al)/(Mg-20Cu)扩散偶中,Mg-20Cu基体侧形成了明显的贫铜层,在整个扩散过程中,Cu元素占主导作用;当r_(Al)r_Yr_(Nd)r_(Ce)r_(La)r_(Gd)r_(Ca)r_(Sr)时,在(Mg-40Al)/(Mg-20X(X=Y、Nd、Ce、La、Gd、Ca、Sr))扩散偶的扩散过程中,Al元素占主导地位,Mg-40Al基体中的Al元素向Mg-20X(X=Y、Nd、Ce、La、Gd、Ca、Sr)基体扩散,导致贫铝层的形成,随着镁中间合金的合金元素的原子半径增加,扩散层的厚度逐渐减少:d_Yd_(Nd)d_(Ce)d_(La)d_(Gd)d_(Ca)d_(Sr),且扩散层的生长常数与镁中间合金的合金元素的原子半径满足lnk=A+exp(B-Cr)(k为生长常数,A、B和C为常数)关系,扩散层生长的激活能分布在y=2.509x-394.989直线的两侧,且总体呈上升的趋势。利用扩散偶的方法研究了杂质元素Fe和Cu在镁中的扩散行为,进一步的揭示镁熔体中Mn元素的除铁机制,获得了较为全面的Cu在Mg中的扩散数据。在镁熔体中,Mn元素的添加对Fe在镁熔体中扩散行为以及扩散偶界面组织有明显的影响,随着Mn含量的增加,扩散偶界面处的扩散层厚度增加,Fe在镁熔体中的扩散系数减少,界面处的扩散层有效的阻碍了Fe原子向镁熔体中扩散。针对上述机理,利用45#钢坩埚熔炼Mg的过程中向添加2wt.%Mn元素,发现Mn元素的添加能有效的降低Mg熔体中的Fe含量;利用ZGMn13坩埚熔炼Mg的过程中,ZGMn13坩埚中的Mn元素向镁熔体中扩散并析出形成薄的过渡层,阻碍ZGMn13坩埚中的Fe元素向Mg熔体中扩散,有效降低镁熔体中的Fe含量。在400-460°C下,Mg/Cu扩散偶中发现有Mg Cu2和Mg2Cu两种金属化合物形成,而且扩散层的生长满足抛物线规律。利用Heumann-Matano方法计算了Mg Cu2和Mg2Cu金属化合物的平均互扩散系数、扩散激活能和指前因子。利用Hall方法计算了Cu在Mg中(~(Mg)D_(Cu)* )和Mg在Cu(~(Cu)D_(Mg)* )中的杂质扩散系数,以及扩散激活能和指前因子。
[Abstract]:The diffusion behavior of Mg - 40Al and Mg - X ( X = 20Ca , 20Ce , 20La , 30Nd , 30Y ) metal compounds has been studied by SEM , EDS and XRD . The Gibbs free energy of binary metal compounds in the ternary system of Mg - Al - X ( X = Ca , Ce , La , Nd , Y ) has been calculated by using the modified quasi chemical model ( MQM ) . The results show that Al - Ca , Al - Nd , Al _ 4X ( X = Ce , La , Y ) , Al _ ( 11 ) X _ 3 ( X = Ce , La , Y ) , Al _ 3X ( X = Ce , La , The Gibbs free energy of Al _ 2X ( X = Ce , La , Y ) metal compounds is lower than the Gibbs free energy of other binary metal compounds . In the solid / solid diffusion process , the diffusion layer is grown in a parabolic growth pattern . In the solid / solid diffusion couple , the diffusion layer thickness law is : d _ Yd _ ( Nd ) d _ ( Ce ) d _ ( La ) d _ ( Ca ) , the diffusion coefficient of Al element in the diffusion layer of each diffusion couple is : D _ ( Nd ) ~ ( Int , Total ) D _ Y ~ ( Int , Total ) D _ ( Ce ) ~ ( Int , Total ) D _ ( La ) ~ ( Int , Total ) D _ ( Ca ) ~ ( Int , Total ) . In the diffusion process of Mg - 40Al / ( Mg - 20X ( X = Y , Nd , Ce , La , Ce , La , Gd , Ca , Sr ) , the thickness of Mg - 40Al / ( Mg - 20X ( X = Y , Nd , Ce , La , Ce , La , Gd , Ca , Sr ) has been studied . The diffusion behavior of Fe and Cu in Mg melt was investigated by using the method of diffusion coupling .

【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22

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