流变挤压铸造Mg-Nd-Zn镁合金微观组织与力学性能研究

发布时间：2020-03-30 21:36

【摘要】：镁稀土合金具有较高的室温和高温强度、良好的抗蠕变性、优良的耐蚀性能,在汽车和航空航天领域得到了广泛应用。其中Mg-Nd-Zn系镁合金具有良好的综合力学性能和铸造性能,且稀土含量少,成本低,在汽车、航空航天和国防工业上具有极大的应用前景。目前,该系镁合金的成形方法主要有金属模铸造和砂型铸造。前者难以有效避免疏松缩孔,不易成形复杂薄壁件;后者则成形铸件晶粒尺寸较大,且生产效率低。因此,开展镁稀土合金新型成形工艺研究,对于克服上述缺点,进一步提高合金的力学性能,拓宽镁稀土合金的应用范围有重要的意义。流变挤压铸造是一种极具应用前景的新型金属零件近净成形工艺。该工艺首先制备半固态非枝晶浆料,随后进行挤压铸造获得铸件,具有如下优点:不仅可以细化合金晶粒尺寸、显著减少甚至消除铸件中的疏松、缩孔等缺陷,显著提高铸件的力学性能,而且可以成形大型复杂薄壁件。目前关于流变挤压铸造的研究主要围绕铝合金开展,关于镁合金研究较少。采用流变挤压铸造技术制备Mg-Nd-Zn系合金,有望进一步提高该系合金的力学性能,同时研究合金半固态非枝晶浆料的形成机理以及成形合金的强化机制对拓宽镁稀土合金的应用范围和流变挤压铸造技术的开发应用具有积极的理论和现实意义。本文采用电磁搅拌制备Mg-Nd-Zn合金半固态浆料,随后进行挤压铸造。系统研究了电磁搅拌工艺参数(搅拌时间、电压、频率)对Mg-Nd-Zn合金半固态非枝晶浆料组织的影响,流变挤压铸造工艺参数(压力、模具温度)对Mg-Nd-Zn合金的组织和力学性能的影响,以及微量Y元素的添加对Mg-Nd-Zn合金的组织与力学性能的影响。主要结论如下:探明了 Mg-Nd-Zn合金熔体电磁搅拌过程中(旋转磁场作用下)非枝晶初生颗粒的形成机理和演变机制,阐明了 Zr粒子对半固态非枝晶浆料组织的影响,揭示了电磁搅拌工艺参数对合金熔体的影响规律。对Mg-3Nd-0.2Zn(NZ30)合金和Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr(NZ30K)合金熔体进行电磁搅拌,研究了不同搅拌工艺参数对合金半固态组织的影响。研究表明电磁搅拌后,合金熔体形成了均匀的溶质溶度场和温度场,NZ30合金浆料的初生相由枝晶转变为三种不同形貌的颗粒:球状、蔷薇状和细小的枝晶,演变过程为形核、枝晶熔断以及随后的熟化,结合枝晶熔断的判据,可以很好地阐明合金熔体在电磁搅拌过程中初生相的形成机制。NZ30K合金浆料经电磁搅拌后,不但改善了浆料组织的Zr粒子分布,而且增加了活性Zr粒子的含量,促进了形核,最终能够获得细小、圆整的初生颗粒均匀悬浮于液相这一理想的半固态组织,其演变过程为形核以及随后的熟化。通过对比,可以发现在Mg-Nd-Zn合金添加Zr元素,电磁搅拌过程中初生颗粒的主要形成机理由枝晶熔断转变为熔体中直接形成细小圆整的初生颗粒。固相率随搅拌时间的变化可以用线性方程描述,利用该方程可以控制流变成形过程中的固相率。NZ30K合金浆料中的初生颗粒尺寸和搅拌时间的关系可以用熟化方程进行描述。随着电压和频率的升高,颗粒尺寸和形状系数先减小后增大。据此开发了适用于Mg-Nd-Zn合金的电磁搅拌流变挤压铸造新工艺,获得了最佳工艺参数范围。对于NZ30合金,最优工艺参数为:120-180s,300-350v,20Hz。对于NZ30K合金,其最优工艺参数为:30-180s,350v,20Hz。基于热力学微分方程,可以建立电磁搅拌工艺参数(电压、频率)与熔体的过冷度、熔体温度的数学关系式(AT=探明了模具温度对流变挤压铸造NZ30K合金的组织和力学性能影响规律。随着模具温度的升高,流变挤压铸造NZ30K合金的晶粒尺寸逐渐增大,共晶相尺寸和位错密度减小,二次凝固组织减少。此外,合金的密度增加,组织越来越致密。因此,随模具温度从200℃升高到300℃,合金力学性能逐渐增加。铸态合金屈服强度的强化贡献主要来源于晶界强化和初生第二相强化。T6处理后,合金的力学性能同样随模具温度的升高先增加后减小,屈服强度的强化贡献主要来源于晶界强化和析出强化。探明了压力对流变挤压铸造NZ30K合金的组织和力学性能影响规律。基于Clausius-Clapeyron方程,推导了压力、过冷度以及形核率之间的数学关系表达式:13.8℃时,NZ30K合金熔体的形核率随着压力的升高而增加。此外,随着压力的升高,Nd、Zn在α-Mg中的固溶度增加,位错密度提高。铸态合金的力学性能随压力的升高先增大后减小,性能增大的原因主要是晶粒细化和组织致密化,性能减小的原因主要是初生颗粒之间发生了塑性变形,应力集中较大。T6处理后,合金的力学性能随压力的增大不断增加,合金屈服强度、抗拉强度和伸长率分别可达 165 MPa,309MPa 和 5.7%。揭示了不同工艺(金属模铸造、常规挤压铸造、流变挤压铸造)成形的Mg-Nd-Zn 合金的强化机理。与金属模铸造合金和常规挤压铸造合金相比,流变挤压铸造合金的晶粒尺寸较小,共晶组织较为细小且数量较少,均匀分布于颗粒之间,因此综合力学性能较高。T6处理后,流变挤压铸造NZ30K合金中的析出相主要为β〃相和β′相,金属模铸造合金和常规挤压铸造合金中的析出相主要为β′相。由于具有较大的晶粒细化效果,流变挤压铸造合金的力学性能高于金属模铸造合金;由于具有较大的析出强化效果,流变挤压铸造合金的力学性能高于常规挤压铸造合金。探明了微量Y元素对金属模铸造和流变挤压铸造Mg-Nd-Zn合金的组织与力学性能的影响。随着Y含量的提高,两种成形方式获得的铸态合金的平均晶粒尺寸均降低,且在含Y合金中形成少量的Mg_(24)Y_5相,该相在0.39wt.%Y含量合金的晶界处均匀分布。合金的时效强化效果随着Y含量的增加而增强。时效处理后,0.39wt.%Y含量合金中的长棒状Zn_2Zr_3相数量显著增加,且由于Zn原子的偏聚,该相数量多于不含Y元素的合金。在所有实验条件下,0.39 wt.%Y含量合金具有最优的综合力学性能,尤其在200-300℃范围内金属模铸造合金具有较高的屈服强度(约为150MPa)。合金力学性能的提高主要是晶粒细化、固溶强化、2n_2Zr_3相和β'相强化的共同作用。此外,建立了Arrhenius模型用于描述变形温度和应变速率对金属模铸造0.39 wt.%Y含量合金的流变应力的影响:σ=(169.69(?) exp(223045/RT))~(0.098)。其应变指数值和激活能均高于不含Y元素合金的值。与金属模铸造合金相比,0.39wt.%Y含量合金流变挤压铸造后,晶粒得到细化,合金力学性能进一步提高。该合金T6处理后,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别可达168 MPa、329MPa和8.7%。
【图文】：

供应量,世界各国

第一章绪论概述上储量最丰富的元素之一，其含量约占地壳表层金、钙和钾[1]。此外，镁在盐湖和海水中的含量也相当 2.1 105吨，约占 0.13%，仅次于氯和钠元素。目前实际应用的最轻的金属结构材料，纯镁的密度 2/3，Zn 合金的 1/3，钢铁的 1/4，钛合金的 2/5，与金的应用能够带来巨大的减重效益和显著的性能提的国家主要包括中国，俄罗斯，以色列，，美国，巴来西亚，韩国，塞尔维亚等[4]。我国的菱镁矿占世在攻关计划和 863 计划中相继启动镁合金材料的开了我国镁合金的应用[2]。如图 1-1 所示，我国镁供应上最大的镁供应商[4]。

层次结构图,层次结构,示意图,博士学位论文

上海交通大学博士学位论文强度由晶粒尺寸和 Nd、Zn 的含量决定。其硬度可由 HV5= 21 +3.07d-0.5(m-0.5)+26.5 CNd(at.%) +10.5 CZn(at.%)计算，误差约为 1.3%。屈服强度 σ0.2(MPa) = 21+0.42 d-0.5(m-0.5) +(8133/2CNd(at. %) +9643/2CZn(at. %))2/3，误差约为 2.0%。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】