（材料加工工程专业论文）粉末热挤压制备高性能镁合金研究.pdf

s c h o o lo fm a t e r i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 由本人承担。 。 论文作者签名：姓圣 日 论文作者签名：塑造鱼 日期：印! ! ：f ：；! ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逸超导师签名： 山东大学博士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t o 0 00 0 0 i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 镁及镁合金l 1 2 1镁的性质1 1 2 2 镁合金的分类2 1 2 3高性能镁合金oo 4 1 3r s p m 镁合金的研究进展6 1 - 3 1r s p m 镁合金技术6 1 3 2r s p m 镁合金的强化机制8 1 3 3r s p m 镁合金性能o o oo0 1 2 1 3 3 1 力学性能1 2 1 3 3 2 腐蚀性能1 3 1 3 4r s p m 镁合金技术特点1 4 1 4 有限元数值模拟在热挤压中的研究进展1 5 1 5 选题意义及研究内容1 6 参考文献1 7 第二章r sz k 6 0 及a z 9 1 合金粉木特性研究2 6 2 1 引。言2 6 2 2 材料制备及实验方法2 6 2 3r s 合金粉末特征o oo000 0 2 7 2 3 1 粉末粒度分布及形貌2 7 2 3 2 粉术平均冷却速率估算2 9 2 3 3 粉末内部微观组织3 0 2 4r s 合金粉末表面氧化行为3 2 2 4 1 粉末氧化热力学分析3 2 2 4 2 粉末氧化膜实验研究3 3 2 4 3 粉末氧含量变化3 6 2 5r s 合金粉末热稳定性3 7 2 5 1 粉末差热分析3 7 目录 2 5 2 粉末组织热稳定性3 8 2 6 本章小结3 9 参考文献4 0 第三章粉末热挤压简化工艺研究4 l 3 1 引。言4 l 3 2 粉末热挤压简化工艺制定4 1 3 2 1 常规工艺流程4 1 3 2 2 制坯工序4 2 3 2 - 3 真空除气工序d ooo oa 4 3 3 2 4 热挤压工序4 4 3 3 粉末热挤压f e m 模型的建立4 5 3 3 1 分析模型o o 6eoooooo 4 5 3 3 1 1 粉术体变形f e m 列式o oo 4 5 3 3 1 2 粉术体热传导f e m 列式4 5 3 3 2 几何模型4 6 3 3 3 材料模型4 6 3 3 3 1 粉末体的应力应变4 7 3 3 3 2 粉末体的热容4 8 3 3 3 3 粉末体的热导率4 8 3 3 3 2 参数设置4 8 3 4 粉末热挤压过程模拟及分析4 9 3 4 1 粉末流动行为4 9 3 4 2 粉末致密化行为5 0 3 4 - 3 实验验证5 1 3 5 粉末热挤压模具结构及工艺优化5 3 3 5 1 模具结构优化5 3 3 5 1 1 凹模入口角5 3 3 5 1 2 凹模过渡角半径5 5 3 5 2 工艺参数优化5 6 3 5 2 1 摩擦条件5 6 3 5 2 2 挤压速度5 7 3 5 2 3 挤压温度5 8 3 5 2 4 坯料初始相对密度5 9 3 6 本章小结o d q o dqo d doo qo o00 0 oo oooto oo 6 0 n 山东大学博十学位论文 参考文献6 0 第四章r s p mz k 6 0 及a z 9 1 合金组织及力学性能6 4 4 1 引言6 4 4 2 材料制备及实验方法0 0 00 0 6 4 4 3r s p mz k 6 0 及a z 9 1 合金组织特征与力学性能6 6 4 3 1r s p mz k 6 0 合金组织特征6 6 4 3 2r s p ma z 9 l 合金组织特征6 9 4 3 3 r s p mz k 6 0 及a z 9 1 合金力学性能7 0 4 3 4r s p m 合金的断口形貌及断裂机制7 2 4 4 粉末热挤压过程的组织演变及晶粒细化机制7 4 4 5 氧化颗粒对组织及性能的影响7 8 4 6r s p mz k 6 0 合金的热稳定性8 l 4 7r s p m 合金的强化机制8 4 4 8 本章小结8 6 参考文献8 7 第五章r s p mz k 6 0 及a z 9 1 合金的腐蚀性能9 l 5 1 引。言9 l 5 2 实验材料及方法9 1 5 3 浸泡腐蚀性能测试9 2 5 3 1 浸泡腐蚀速率9 2 5 3 2 浸泡腐蚀形貌9 5 5 4 电化学性能测试9 7 5 5 本章小结1 0 0 参考文献1 0 0 第六章结论1 0 2 致谢1 0 4 攻读博士期间发表的论文和获得的奖励1 0 5 学位论文评阅及答辩情况 外文论文 山东大学博十学 寺论文 c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c t i i i c h a p t e r1 r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1i n t r o d u c t i o n - l 1 2m ga n dm g a l l o y s 1 1 2 1 p r o p e r t i e so fm g 。1 1 2 2c l a s s i f i c a t i o no fm ga l l o y s 2 1 2 3 h i g hp e r f o r m a n c em ga l l o y s 4 1 3r e s e a r c hd e v e l o p m e n to fr s p mm ga l l o y s 6 1 3 1r s p mm ga l l o y st e c h n o l o g y 。6 1 3 2 s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mi nr s p mm ga l l o y s 8 1 3 3c h a r a c t e r i z a t i o n so f r s p mm ga l l o y s 1 2 1 3 3 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 。1 2 1 3 3 2c o r r o s i o np r o p e r t i e s 1 3 1 3 4 t e c h n i c a lf e a t u r e so fr s p mm ga l l o y s 。1 4 1 4r e s e a r c hd e v e l o p m e n to ff e mi nh o te x t r u s i o n 。1 5 1 5t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dm e a n i n g 。1 6 r e f e r e n c e s 1 7 c h a p t e r 2c h a r a c t e r i z a t i o n so f r sz k 6 0a n d a z 9 1a l l o y p o w d e r s 2 6 2 1i n t r o d u c t i o n 2 6 2 2m a t e r i a lp r e p a r a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s 2 6 2 3f e a t u r e so fm ga l l o yp o w d e r s 2 7 2 3 1s i z ed i s t r i b u t i o na n dm o r p h o l o g y 。2 7 2 3 2e s t i m a t i o no fa v e r a g ec o o l i n gr a t e 2 9 2 3 3m i c r o s t r u c t u r e s 3 0 2 4o x i d a t i o nb e h a v i o ro fm ga l l o yp o w d e r s 。3 2 2 4 1 t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so f p o w d e ro x i d a t i o n 3 2 2 4 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fo x i d el a y e ro np o w d e rs u r f a c e 3 3 2 4 3v a r i a t i o ni no x y g e nc o n t e n to fp o w d e r s 3 6 2 5t h e r m a ls t a b i l i t yo fm ga l l o yp o w d e r s 。- 。3 7 2 5 1d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i so f p o w d e r s 。3 7 2 5 2t h e r m a ls t a b i l i t yo fm i c r o s t r u c t u r e so fp o w d e r s 3 8 2 6 c h a p t e rs u m m a r y 。3 9 c o n t e n t s r e f e r e n c e s 。4 0 c h a p t e r3s i m p l i f i e dt e c h n o l o g yo f p o w d e rh o te x t r u s i o n 。4 1 3 1i n t r o d u c t i o n 。4 1 3 2 p r o c e s s i n ge s t a b l i s h m e n to fp o w d e rh o te x t r u s i o n 。4 1 3 2 1c o n v e n t i o n a lr o u t e s 4 l 3 2 2 b i l l e t p r e p a r a t i o n 4 2 3 2 3v a c u u md e g a s s i n g 。4 3 3 2 4h o te x t r u s i o n 4 4 3 3f e mm o d e le s t a b l i s h m e n to fp o w d e rh o te x t r u s i o n 4 5 3 3 1 a n a l y s i sm o d e l 。4 5 3 3 1 1f e mf o r m u l a t i o no fd e f o r m a t i o n 4 5 3 3 1 2f e mf o r m u l a t i o no f h e a tc o n d u c t i o n 4 5 3 3 2g e o m e t r i c a lm o d e l 4 6 3 3 3 m a t e r i a lm o d e l 。4 6 3 3 3 1s t r e s sa n ds t r a i no f p o w d e rc o m p a c t 。4 7 3 3 3 2h e a tc a p a c i t yo fp o w d e rc o m p a c t 。4 8 3 3 3 3t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fp o w d e rc o m p a c t 。4 8 3 3 3 2p a r a m e t e r ss e t t i n g 4 8 3 4s i m u l a t i o na n da n a l y s i so fp o w d e rh o te x t r u s i o n 4 9 3 4 1f l o wb e h a v i o ro f p o w d e r s 4 9 3 4 2d e n s i f i c a t i o nb e h a v i o ro fp o w d e r s 5 0 3 4 3 e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 。- - - - 。5 l 3 5o p t i m i z a t i o no fd i es t r u c t u r ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r s 。5 3 3 5 1 o p t i m i z a t i o no f d i es t r u c t u r e 。5 3 3 5 1 1d i ee n t r a n c ea n g l e 5 3 3 5 1 2r a d i u so ft r a n s i t i o na n g l e 5 5 3 5 2 o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s 。5 6 3 5 2 1f 订c a t i o nc o n d i t i o n 5 6 3 5 2 2e x t r u s i o ns p e e d 。- 。5 7 3 5 2 3e x t r u s i o nt e m p e r a t u r e 。5 8 3 5 2 4i n i t i a lr e l a t i v ed e n s i t yo f p o w d e rc o m p a c t 。5 9 3 6c h a p t e rs u m m a r y 6 0 r e f e r e n c e s 6 0 c h a p t e r4m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr s p mm ga l l o y s 6 4 山东大学博士学位论文 4 1i n t r o d u c t i o n ”。6 4 4 2m a t e r i a lp r e p a r a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s 6 4 4 3m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 。- 。6 6 4 3 1m i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i z a t i o n so fr s p mz k 6 0a l l o y s - 。6 6 4 3 2m i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i z a t i o n so fr s p ma z 9 1a l l o y s 6 9 4 3 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr s p mz k 6 0a n da z 9 1a l l o y s 。7 0 4 3 4f r a c t u r em o r p h o l o g ya n dm e c h a n i s m so f r s p ma l l o y s 7 2 4 4g r a i nr e f i n e m e n tm e c h a n i s md u r i n gp o w d e re x t r u s i o n 7 4 4 5e f f e c to fo x i d el a y e ro nm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e s 7 8 4 6t h e r m a ls t a b i l i t yo fr s p mz k 6 0a l l o y s 。8 1 4 7s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m si nr s p ma l l o y 8 4 4 8 c h a p t e rs u m m a r y 8 6 r e f e r e n c e s 8 7 c h a p t e r5c o r r o s i o np r o p e r t i e so fr s p mm ga l l o y s 。- 。9 1 5 1i n t r o d u c t i o n 9 1 5 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dm e t h o d s 。9 1 5 3i m m e r s i o nc o r r o s i o nt e s t s - - 9 2 5 3 1i m m e r s i o nc o r r o s i o nr a t e 9 2 5 3 2i m m e r s i o nc o r r o s i o nm o r p h o l o g y 。9 5 5 4e l e c t r o c h e m i c a lt e s t s 9 7 5 5c h a p t e rs u m m a r y 。1 0 0 r e f e r e n c e s l o o c h a p t e r6c o n s l u s i o n s - 1 0 2 a c k n o w l e d g e m e n t 1 0 4 p u b l i s h e dp a p e ra n da w a r d s 1 0 5 r e v i e wa n dd e f e n s ei n s t a n c eo fd e g r e et h e s i s e n g l i s hp a p e r s 山东大学博士学位论文 摘要 镁合金具有高比强度、比刚度，良好的阻尼减震性，优良的机加工性能和易 于回收利用等优点，被誉为“2 1 世纪绿色金属结构工程材料”，是近年来国内外 材料界研究的热点之一。进一步提高镁合金的综合性能，满足某些结构件“以镁 代铝”甚至“代钢 的性能要求；改善镁合金的塑性、减少各向异性，显著改善 其塑性成形能力；简化镁合金制品的制备工艺，降低其生产成本，扩大镁合金的 应用范围，是国内外研究的主要方向。 本课题从细化晶粒提高镁合金力学性能角度出发，采用离心雾化法制备 z k 6 0 及a z 9 1 合金粉末，显著细化粉末组织，减少成分偏析，扩展合金元素在 基体中的固溶度；针对快速凝固粉末冶会( r s p m ) $ i j 备工艺繁琐、成本高昂等不 足，结合粉未特性及粉末热挤压数值模拟结果，提出一种短流程、适于工业化生 产的快速凝固粉末冶金( r s p m ) 简化工艺，并成功制备出超细晶z k 6 0 及a z 9 1 高性能镁合金。在此基础上，系统地研究了挤压温度对超细晶材料组织及性能( 如 强度、塑性、耐腐蚀性等) 的影响，并分别对合金细化机制、热稳定性、氧化粒 子引入及强化机制等进行细致研究。 离心雾化法所得z k 6 0 及a z 9 1 合金粉末球形度高、表面光洁，冷却速度高 达l o 1 0 5 k s 。研究结果表明，合金粉术的组织主要为等轴晶，晶界上分布着细 小的第二相，快速凝固的急冷作用致使合金粉末的晶粒度及第二相尺寸比传统铸 锭法的组织更为细小，分布均匀性显著改善，同时基体处于过饱和固溶念。r s 合金粉木表面自然氧化膜主要由2 n mm g o 膜及0 5 n m 污染层构成，在1 0 0 - 2 0 0 。c 下短时加热，氧含量变化不大。在空气气氛下双向温压5 1 0 m i n 可制备出相对密 度0 8 0 9 的z k 6 0 、a z 9 1 粉末生坯，有效地回避了包套、真空除气等工序，降 低能耗及制备成本。 采用粉术挤压有限元数值模拟对模具结构和挤压工艺参数进行优化，结果表 明，凹模塑性变形区和缩颈区对粉末起同样致密化作用，前者使粉末发生大塑性 变形，后者则使粉末完全焊合；模具入口角9 = - 6 0 0 ，凹模过渡角半径r = 2 m m 时 试棒在保持较高的变形量时应变分布均匀；适量的摩擦对获得均匀应变并保持较 大变形量是积极有利的；大挤压速度( 1 0 m r r g s ) 、高挤压温度会导致挤压件表面 出现缺陷；生坯的初始相对密度对挤压致密效果无明显的影响。 摘要 r s p m 简化技术制备所得z k 6 0 及a z 9 1 合金，晶粒度0 3 2 i g m ，其中z k 6 0 合金拉伸强度高达3 4 8 4 2 4 m p a ，延伸率9 - 2 2 ；而a z 9 1 合金中存在弥散第二 相“钉扎”晶界，拉伸强度更佳( 3 6 3 。5 1 6 m p a ) 。随挤压应变增加，粉末发生宏观 变形并最终焊合，粉末表面氧化膜被破碎成纳米氧化粒子弥散分布于焊合部位， 对合金起到一定复合强化作用；微区细化机制以连续动态再结晶为主，旋转动态 再结晶为辅，镁合金中第二相的细化机制主要为机械破碎。同时发现超细晶z k 6 0 合金的热稳定性与挤压温度密切相关，低于挤压温度保温1 h 时，组织发生回复 及再结晶，但晶粒长大甚微；随着退火温度提高，则晶粒长大明显；r s p m 合 金的强化来源于品粒细化、织构强化和第二相强化三种机制的叠加效应。 通过浸泡试验和电化学试验首次研究了超细晶z k 6 0 及a z 9 1 合金的腐蚀性 能。在n a c l 溶液浸泡及电化学腐蚀试验中，r s p m 合金平均腐蚀速率略高于铸 锭a z 9 1 d 合金。超细晶r s p m 合金由于晶界比例提高，缺陷增多，致使表层各 处的化学活性高，腐蚀性能降低，此外，r s p m a z 9 1 合金中第二相沿晶界弥散 分布，微电池腐蚀严重，因此其抗腐蚀能力最差。相比于腐蚀速率变快的劣势， 均匀腐蚀成为r s p m 合金腐蚀性能的最主要的优势。 关键词：镁合金；快速凝固粉末冶金；有限元模拟；显微组织；综合性能 山东大学博十学位论文 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y s ，a s “21 吼c e n t u r yg r e e nm e t a l l i cs t r u c t u r a lm a t e r i a l s ”，h a v et h e m o s tp r o m i s i n gd e v e l o p m e n ti nm a t e r i a lf i l e d ，f o rt h e i rh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n d s p e c i f i cs t i f f n e s s ，g o o dd a m p i n gc a p a c i t y ，e x c e l l e n tm a c h i n a b i l i t ya n dh i g hr e c y c l i n g r a t e t h ep r i n c i p a lf o c u so ne n h a n c i n gi n t e g r a t e dp r o p e r t i e so fm a g n e s i u ma l l o y si st o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs o m es t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，s u c ha sa l u m i n u m ，o re v e ns t e e l r e s e a r c h e sw h i c ha i mt oi n c r e a s et h ee l o n g a t i o n ，d e c r e a s et h ea n i s o t r o p ya n di m p r o v e t h e p l a s t i c d e f o r m a t i o n c a p a b i l i t y , s i m p l i f y f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e s ，r e d u c e m a n u f a c t u r i n g c o s ta n de x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o ya l s or e c e i v eg l o b a l a t t e n t i o n i ti sw e l lk n o w nt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c r e a s er a p i d l yw i t hr e f i n i n go n g r a i ns i z ef o rm a g n e s i u ma l l o y s c e n t r i f u g a la t o m i z a t i o n ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e f i n e g r a i na n ds e c o n d - p h a s es i z e ，r e d u c es e g r e g a t i o n ，a n de x p a n ds o l i ds o l u b i l i t yo fm a t r i x ， w a si n i t i a l l ye m p l o y e dt op r e p a r ez k 6 0a n da z 91 a l l o yp o w d e r s c o m b i n a t i o no f p o w d e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dp o w d e re x t r u s i o ns i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h i sp a p e rp r o p o s e da h i g hc o s t - e f f e c t i v ep r o c e s st op r o m o t ew i d ea p p l i c a t i o no fr a p i ds o l i d i f i e d p o w d e r m e t a l l u r g y ( r s p m ) m a g n e s i u ma l l o y s f i n a l l y , u l t r a f i n eg r a i n e dz k 6 0a n da z 9 1 b a r sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d b a s e do nl a b o r a t o r ys c a l e ，t h ee f f e c to fe x t r u s i o n t e m p e r a t u r eo np r o p e r t i e s ( s u c ha ss t r e n g t h ，t o u g h n e s sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，e t c ) w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e f i n e m e n tm e c h a n i s m ，t h e r m a ls t a b i l i t y , o x i d a t i o np a r t i c l e s a n ds t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mw e r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l s p h e r i c a l s h a p e dz k 6 0a n da z 9 1p o w d e r sw i t hs m o o t hs u r f a c ew e r ep r e p a r e d b yc e n t r i f u g a la t o m i z a t i o nt e c h n o l o g y t h ea v e r a g ec o o l i n g r a t ew a sc a l c u l a t e dt ob e 10 4 10 5 k s t h e s ep o w d e r se s s e n t i a l l ye x h i b i ta ne q u i a x e dg r a i nm o r p h o l o g yw i t h f i n ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sa l o n gg r a i nb o u n d a r i e s d u et oh i g h e rc o o l i n gr a t e ，t h e g r a i ns i z eo fr sp o w d e r si sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to fc o n v e n