稀土元素Pr对挤压态AZ91镁合金组织及性能的影响

发布时间：2020-03-31 00:34

【摘要】：AZ91作为应用最为广泛的镁合金之一,具有密度小、比强度、比刚度高、电磁屏蔽能力强等一系列优点,广泛应用于冶金、化工、电子、核工业、汽车及航天航空等领域。然而其活泼的化学性质,网状的β-Mg_(17)Al_(12)相使得镁合金的强度较低,耐腐蚀性、耐磨损性不佳,限制了材料的使用。本文采用高能超声、热挤压、稀土变质及热处理等工艺提升了材料的性能并研究稀土Pr及热处理对AZ91镁合金的组织与性能影响。研究结果表明:稀土Pr能显著细化AZ91镁合金的微观组织。稀土Pr的加入使得网状β-Mg_(17)Al_(12)相开始断裂,出现弥散分布组织,且生成了生成的条状Al_(11)Pr_3、块状Al_6Mn_6Pr相。当Pr添加量达到1.0wt.%时,合金组织最为细小且分布均匀。热挤压使合金晶粒被压碎、拉长,晶粒尺寸更加细小均匀并按一定方向排列,β-Mg_(17)Al_(12)相尺寸由10μm进一步下降到2μm。挤压态AZ91镁合金的机械性能随着稀土Pr的加入而显著提升,当稀土Pr添加量达到1.0wt.%是AZ91镁合金的极限抗拉强度、延伸率、硬度均达到最大值分别为359MPa、15.3%、95.0HV,相比于基体合金提升了20.5%、26.0%、18.5%。其机械性能的提升主要归因于晶粒的细化和生成了坚硬的Al_(11)Pr_3、Al_6Mn_6Pr金属间化合物。拉伸断口分析表明,未变质的挤压态AZ91镁合金的断裂方式为准解理断裂,稀土Pr变质后材料的断裂方式以韧性为主。对稀土变质后的挤压态AZ91镁合金进行摩擦磨损实验,结果表明:随着外加载荷的增加,AZ91-Xwt.%Pr镁合金的磨损率逐渐增加,摩擦系数逐渐降低。稀土Pr的添加不仅降低合金材料的磨损率,也使摩擦系数更为稳定,有效地延缓了镁合金向严重磨损的转变。在60N的外加载荷下,AZ91-1.0wt.%Pr镁合金磨损率与摩擦系数分别为2.35×10~(-5)g/m、0.217,相比于基体分别降低了50.1%、33.0%。但当稀土添加过量时,反而会使磨损量、摩擦系数出现反弹,但仍优于未变质的基体镁合金。30N的外加载荷下,未变质的镁合金磨损机制为轻度剥层磨损和磨粒磨损,而AZ91-1.0wt.%Pr镁合金的磨损机制为磨粒磨损。载荷增加到90N时,AZ91-1.0wt.%Pr镁合金的磨损机制转变为剥层磨损。固溶温度对AZ91镁合金有显著的影响。随着固溶温度的升高,晶界处的β-Mg_(17)Al_(12)相逐渐融入α-Mg基体相中形成过饱和固溶体。在410℃下,合金的晶粒最为细小,显微硬度达到最高,过高的固溶温度会导致晶粒粗化。在410℃下,随着固溶时间的延长,晶界处的β-Mg_(17)Al_(12)相基本融入α-Mg基体相并分散均匀。固溶时间过长合金组织会长大甚至出现过烧。合金最佳固溶工艺为410℃+6h。在最佳固溶温度下继续时效处理,结果表明材料硬度随着时效时间的延长呈现先上升在下降的趋势,硬度测试结果表明材料最佳时效工艺为200℃+20h。挤压态AZ91-1.0wt.%Pr镁合金在最佳固溶时效工艺下显微硬度可达到126.7HV,较未经热处理工艺的挤压态AZ91-1.0wt.%Pr镁合金提升33.4%。
【图文】：

密排六方结构,晶体结构

通过高能超声可获得组织均匀的稀土镁合金，分析不同含量变质作用，探讨热处理工艺对镁合金的作用，提升镁合金的机情况下的磨损情况，拓宽镁合金的应用前景，使我国镁资源挥。及镁合金概况及镁合金的性质子周期表中，镁属于ⅡA 族碱土金属，其原子序数是 12[14]。密排六方结构，无同素异构转变，如图 1.1 所示。由于镁非常因此在自然界中不存在单质镁，一般以化合物的形式存在。氧气，水蒸气等物质发生剧烈的化学反应。金属镁为银白色眼的白光，因此也可用于烟花和照明弹[15]。表 1.1 为纯镁的基

超声功率,显微组织,高能超声

在镁基复合材料的制备中，高能超声可大幅度提升稀土添加相与金属熔体之间的润湿性，并使稀土添加相在熔体中分散更加均匀，消除了直接机械搅拌法所带来的缺陷。凌李石保[28]等讨论了高能超声对镁基复合材料的分散机理，并得出高能超声使 SiCp在 AZ31 熔体中均匀分散，并在保持 AZ31 高延伸率的前提下，使得其抗拉强度和屈服强度大幅度提升。华群[29]利用高能超声制备了Al2Sm/AZ61 耐热镁合金。实验以超声时间、超声功率为变量研究了高能超声对Al2Sm/AZ61 微观组织和机械性能的影响。图 1.2 是不同超声功率对AZ61-2.0wt.%Sm 的挤压态显微组织的影响。研究发现：高能超声产生的高温高压击碎了网状的 Mg17Al12相和 Al2Sm 相，其中 Al2Sm 增强相的尺寸由未超声时的 13μm 减小为 6μm，提高了合金的机械性能。JP Li[30]等研究了超声波对普通铸轧镁合金带的显微组织的影响，结果表明：一般铸轧镁合金带的细胞枝晶粗大，晶粒结构不均匀，平均晶粒直径在 50μm 60μm 之间。然而，，经过铸轧镁带超声波处理后晶粒组织更加均匀，晶粒细化，平均晶粒直径在 20μm 30μm之间。另外，机械性能测试结果表明，相比于普通铸轧镁合金，超声波制备镁合金的拉伸强度、屈服强度和延伸率分别提高了 22.85%，49.78%和 123.06%。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】