镁合金凝固过程三维枝晶形貌演化研究

发布时间：2019-10-18 14:32

【摘要】：镁作为一种典型的密排六方结构(Hexagonal Close-packed)金属,其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响,目前对镁合金中α-Mg枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏。本文主要研究镁合金凝固过程α-Mg(X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al,Ca,Zn和Sn等)、固溶元素含量(溶质浓度)和温度条件(温度梯度、冷却速率等)对α-Mg枝晶生长选择和演化的影响。基于主要研究内容,制备了不同工艺条件下的Mg-Sn,Mg-Ca和Mg-Zn等二元亚共晶镁合金,利用同步辐射X射线断层扫描技术(Synchrontron X-ray Tomography)对不同条件下镁合金α-Mg枝晶三维微观结构进行表征,获得了千姿百态的α-Mg枝晶形貌并基于其形貌特征提出了多种α-Mg枝晶生长模型,深入分析了导致α-Mg枝晶生长选择多样性的因素;其次,开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化的原位表征研究工作,探索了固溶元素、固溶元素含量以及冷却速率对镁合金凝固过程α-Mg枝晶微观结构演化的影响,得出了诸多有价值的结论。研究结果表明,固溶元素、固溶元素含量以及枝晶生长条件(等轴定向生长)等因素都会对镁合金中α-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响。在MgCa(hcp-fcc)合金中,枝晶倾向于以112 0和224 5为择优方向。在Mg-Sn(hcpbct)合金中,等轴生长的枝晶沿着基面上112 0和偏离基面的112 X(X≈2)方向形成一种18次分支的结构,定向生长的枝晶则近似胞状结构。在Mg-Zn(hcphcp)合金中,α-Mg枝晶的择优取向会随着Zn含量的增加从112 0方向朝偏离基面的112 X方向发生连续转变(X随Zn含量变化而增大),并在转变的过渡区,发现了超支化的藻状枝晶结构,其原因可能是高各向异性Zn元素的引入带来的固液界面自由能各向异性的变化。镁合金凝固过程中三维微观结构演化的原位表征结果表明,固溶元素对凝固过程枝晶演化的影响主要体现在熔体过冷度以及溶质的扩散和再分配等方面。而在不同Zn含量Mg-Zn合金中,其差异不仅表现在枝晶分支结构和生长取向的连续转变,在形貌上,枝晶的尖端半径和枝晶臂间距也随着Zn含量的增加而减小,枝晶更加精细(fine)。另外,随着冷却速率的增加,枝晶明显细化,但在冷却速率较大的条件下,其孔洞和裂纹等缺陷也愈发严重。本文的实验结果一定程度上揭示了凝固过程中复杂多样的α-Mg枝晶生长选择多样性演化的规律。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22

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本文编号：2551130