（材料加工工程专业论文）新型mgsisn合金的等温热处理组织演变.pdf

哈尔滨t 挥人学硕十学何论文 摘要 本文通过金属型铸造方法制备出铸态m g - s i s n 合金坯料，研究了不同 s n 含量和高温短时的等温热处理方法对初生和共晶m 9 2 s i 相生长形态的影响 规律和机制，同时还对不同s n 含量的m g s i s n 合金铸态及热处理态的拉伸 性能进行了比较分析。然后采用半固态等温热处理法和应变诱发法( s i m a ) 成 功制备出了m g s i s n 合金半固态坯料，研究了不同热处理工艺因素( 热处理 温度、热处理时间、预变形量) 及不同s n 含量对m g s i s n 合金半固态组织 的影响规律，并对半固态组织的演变机理进行了分析。 研究结果表明，适量s n 可使m g s i s n 合金铸态组织中原先粗大的初生 m 9 2 s i 相变质为细小的多角形块状；在经过5 5 0 保温2 h 的等温热处理后， m g 3 s i 1 7 0 s n 合金中原先汉字状和纤维状共晶m 9 2 s i 相最终演变为细小的 球状m 9 2 s i 颗粒，共晶m 9 2 s i 相的球化机理可归因于r a y l e i g h 形状失稳。室 温和高温拉伸性能测试结果表明，m g s i s n 合金经过高温短时的等温热处理 后其抗拉强度和延伸率均有一定程度的提高。 在对半固态组织的研究中，优化给出了适合m g s i s n 合金半固态坯料制 备的热处理工艺参数。研究发现，6 4 0 保温1 5 r a i n 的半固态组织较为理想。 温度过高或时间过长，晶粒粗化，温度过低或时间过短，晶粒圆整度不好。 对于预变形m g s i s n 合金而言，2 0 左右的预变形量已足够获得理想的半固 态球状晶组织。由于s n 元素的添加降低了合金的共晶转变温度，因此对于不 同s n 含量的m g s i s n 合金来说，适于半固态成型的温度是不同的。 最后探讨得出了m g s i s n 合金的半固态组织演变机理，半固态等温热处 理法获得的m g s i s n 合金半固态组织的球化机制主要是枝晶熔断机制，而 s i m a 法获得的m g s i s n 合金半固态组织的球化机制除了枝晶熔断机制外， 主要是液相沿亚晶界的熔渗在起作用。 关键词：m g - s i s n 合金；m 9 2 s i ：等温热处理；半固态；球化机制 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ea s - c a s tm g s i - s na l l o y sw e r eo b t a i n e db ym e a n so f p e r m a n e n tm o l d c a s t i n gm e t h o d ，a n dt h ee f f e c to fd i f f e r e n ts nc o n t e n t sa n di s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n tw i t hr e l a t i v e l yh i g h e rh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e sa n ds h o r t e rh o l d i n g t i m e so nt h eg r o w t hm o r p h o l o g yo fm 9 2 s ii nm g s i - s na l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e d a n dt h e i rm e c h a n i s m sw e r ea l s od i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h et e n s i l ep r o p e r t i e sf o r t h ea s c a s ta n dh e a t t r e a t e dm g - s i - s na l l o y sw i t hd i f f e r e n ts nl e v e l sw e r ea l s o c a r r i e do u t a f t e r w a r d s ，t h em g - s i s na l l o ys e m i - s o l i db i l l e t sw e r ef a b r i c a t e db y s e m i s o l i di s o t h e r m a lh e a t - t r e a t m e n tp r o c e s sa n ds t r a i n - i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o n ( s i m a ) p r o c e s s ，a n dt h ee f f e c to fd i f f e r e n th e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( h e a t - t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ，h e a t t r e a t m e n tt i m ea n dp r e d e f o r m a t i o n ) a n ds n c o n t e n t so nt h es e m i s o l i dm i c r o s t r u c t u r e so fm g - s i - s na l l o y sw e r es t u d i e d m o r e o v e r , t h es e m i - s o l i dm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nm e c h a n i s mf o rm g - s i - s na l l o y s w a sa l s or e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a r s e p r i m a r ym 9 2 s ip h a s e si nt h e a s c a s t m g - s i - - s na l l o y sc a nt r a n s f o r mi n t of i n ep o l y h e d r a ls h a p ew i t ha p p r o p r i a t es n c o n t e n t a f t e ri s o t h e r m a lh e a t - t r e a t e do f 2h o u r sa t5 5 0 c ，t h em o r p h o l o g yo ft h e e u t e c t i cm 9 2 s ii nm g - 3 s i 一1 7 0 s na l l o yt r a n s f o r m sc o m p l e t e l yf r o mt h ec h i n e s e s c r i p tt y p ea n df i b r i f o r ms h a p ei n t of i n e ，s p h e r i c a ls h a p ea n dt h es p h e r o i d i z a t i o n m e c h a n i s mo ft h ee u t e c t i cm 9 2 s ip h a s e ss e e m st ob ea t t r i b u t e dt ot h e “r a y l e i g h s h a p ei n s t a b i l i t y ”i th a sb e e ni n d i c a t e dt h a tt h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nf o r t h em g - s i s na l l o y sa ta m b i e n ta n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e sw e r ei m p r o v e dt os o m e e x t e n ta f t e ri s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t t h eo p t i m i z e dh e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rt h ef a b r i c a t i o no ft h e m g s i - s na l l o ys e m i s o l i db i l l e t sa r eo b t a i n e db a s e do nt h ea n a l y z i n gr e s u l t so f t h es e m i s o l i dm i c r o s t r u c t u r e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e f e r r e dh e a t t r e a t m e n t 哈尔滨t 科人学硕十学何论文 p r o c e s s i n gi ss u g g e s t e da t6 4 0 cf o r1 5 m i na n dt h ed e g r e eo fp r e d e f o r m a t i o ni s c h o s e na r o u n d2 0 f o rt h ep r e d e f o r m e da l l o y s t h em i c r o s t r u c t u r ew i l lc o a r s e n w h e nt h et e m p e r a t u r ei sh i g h e ro rt h et i m ei sl o n g e r t h ed e g r e eo fm i c r o s t r u c t u r e s p h e r d i z a t i o nw i l lw o r s ew h e nt h et e m p e r a t u r ei sl o w e ro rt h et i m ei ss h o r t e r t h e a d d i t i o no fs nr e s u l t si nt h ed e c r e a s i n go ft h ee u t e c t i ct r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ， s ot h es e m i - s o l i dt e m p e r a t u r e ss h o u l db ec h a n g e da c c o r d i n g l yf o rt h em g s i - s n a l l o y sw i t hd i f f e r e n ts na d d i t i o n s t h es e m i s o l i dm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nm e c h a n i s mf o rm g - s i - s na l l o y sw a sg o t a tl a s t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e m i s o l i dm i c r o s t r u c t u r e s p h e r o i d i z a t i o n m e c h a n i s mp r o d u c e db ys e m i - - s o l i di s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t p r o c e s s i st h e d e n d r i t e sm e l t i n g h o w e v e r , t h ep e n e t r a t i o no fl i q u i dp h a s ea l o n gt h es u b g r a i n b o u n d a r y i st h em a i ns p h e r o i d i z a t i o nm e c h a n i s mf o rt h e m g s i s na l l o y s p r o d u c e db ys i m ap r o c e s s k e yw o r d s ：m g - s i - - s na l l o y ；m 9 2 s i ；i s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t ；s e m i - s o l i d ； s p h e r o i d i z a t i o nm e c h a n i s m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：尚韵产 日期： 2 0 1 7 ( 年岁月胗日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：肖柳 日期： 2 0 0 c 年多月阳 导师( 签字) ：基耙林 叫年；月f 矗日 哈尔滨丁稃人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 镁合金作为最轻的工程结构金属材料，具有比强度和比刚度高、导电导 热性好、阻尼吸震降噪性能优越、电磁屏蔽能力强、铸造成形性好、机加工 和表面装饰性能良好、易于回收利用等优点，在汽车、通讯设备、航空航天 等领域中得n t 较为广泛的应用【1 3 1 。但是，镁合金较低的耐热性能( 热强性 能和热稳定性能) 限制了其进一步的发展和工业应用1 4 1 。 目前，耐热镁合金体系主要有m g 系、m g z n 系和m g r e 系【5 1 。m g a i 系和m g - z n 系价格低廉，但由于这两类合金系中分别存在着低熔点共晶 m g i t a l l 2 相( 4 3 7 c ) 和m g z n 相( 3 4 7 。c ) ，使得这两类合金的长期使用温度 不能超过1 2 0 2 0 0 。虽然m g r e 系合金如w e 5 4 ，耐热性能优良，但稀土 元素往往成本较高。最近，有研究指出s i 和s n 是提高镁合金强度和耐热性 的有益元素1 6 l 。根据m g s i 和m g - s n 二元相图，s i 在镁中的固溶度很小，仅 为0 0 0 3a t ，在凝固过程中大部分s i 与m g 反应以m 9 2 s i 形式析出；虽然 s n 在镁中可以固溶，在m g - s n 二元相图富m g 侧的共晶转变温度( 5 6 1 2 c ) 处，s n 在m g 中的饱和固溶度为1 4 8 5 w t ，但是随着温度下降，其固溶度 也大幅度降低，室温下仅为0 0 3 5 a t ，s n 在凝固过程中以m 9 2 s n 形式析出 1 7 - 9 。金属间化合物m 9 2 s i 和m 9 2 s n 都是高温稳定相，对提高镁合金的高温 性能有利，因此本文考虑将s i 和s n 元素同时加入镁合金中，对m g s i s n 合 金的制备进行综合研究。 为了充分发挥高熔点热稳定析出相( 如上述m 9 2 s i 相) 的强化效果，必 须提高其含量。遗憾的是，随着s i 含量的增加，高硅镁合金的组织中存在着 粗大的初生m 9 2 s i 树枝晶和共晶组织，从而显著地恶化了合金的力学性能。 因此，探索含s i 镁合金中m 9 2 s i 相的晶粒细化及工艺优化，对于提高和改善 含s i 镁合金的综合力学性能就显得尤为重要。 1 哈尔滨t 群人学硕十学位论文 近年来，科研工作者采用了新的制备技术，如热挤压、快速凝固技术、 定向凝固和机械合金化等1 1 5 l 使高硅镁合金组织得到了明显的改善，材料的 力学性能也得到了相应的提高【1 6 1 7 】。然而，以上技术对于m g ：z s i 的细化程度 有限且存在工艺复杂，过程难以控制，生产成本过高等问题。 目前，采用合金化和或微合金化手段对粗大m 9 2 s i 相进行变质的研究较 多，如采用多种变质剂s b 1 8 1 、n a 盐【1 9 】、y 1 2 0 】、k b f 4 【2 1 】、b 【2 2 1 、b 2 0 3 【2 2 】、 s r l 2 3 l 等变质剂抑制初生m g ：z s i 相的择优生长，使粗大树枝状初生m 9 2 s i 转变 为细小多边形块状；采用c a 【1 8 2 4 1 、p 、越p 【2 5 】和稀土n d 【2 6 1 等变质剂使汉字 状或纤维状共晶m 9 2 s i 相粒化。这种方法生产工艺简单，而且成本较为低廉， 因此越来越受到人们的重视，但变质的同时也伴随着各种各样问题的产生， 如s b 易带来成分偏析而且变质效果不佳；p 易燃而产生大量烟雾，使得加入 量难以控制；k b f 4 在变质过程中会产生飞溅及夹杂；c a 易引起热裂；r e 元 素价格昂贵等。针对合金元素所带来的问题，l n 等人【矧采用固溶处理方法使 m g - 6 越, x s i 合金中的共晶m g ：s i 相球化，达到了较好的变质效果，但是由于 该合金系中含有可与m g 形成低熔点共晶( m g l 测1 2 ，4 3 7 。c ) 的元素， 因此，为了避免产生过烧、变形等热处理缺陷，所采用的固溶处理温度较低 ( 4 2 0 ) ，而要达到较好的变质效果，固溶处理时间必然很长( 2 4 h ) ，结果 增加了制造成本并延长了合金的生产周期。因此本文拟采用高温短时的等温 热处理法变质m g s i s n 合金中粗大的汉字状和或纤维状共晶m 9 2 s i 相。这 种方法既避免了采用合金化和或微合金化手段进行变质带来的一系列问题， 工艺简单，成本低廉；与传统的固溶处理相比，又大大缩短了固溶处理的时 间，使m g s i s n 系镁合金的应用更具实际价值。 q i ne ta l 【2 8 t 2 9 】研究了半固态等温热处理对原位m 9 2 s i | 甜复合材料组织演 变的影响，利用半固态等温热处理的方法成功地得到了半固态球状组织，并 且实现了粗大初生m 9 2 s i 相和0 【a 1 相的双重球化，如图1 1 所示。y a n ge ta l l 3 0 j 研究指出利用半固态等温热处理的方法在获得镁合金球状晶的同时可以实现 粗大m g ：z s i 相的球化。本文根据以上实际情况，采用半固态等温热处理法 2 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 ( i s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t ) 和应变诱发熔化激活法( s t r a i n i n d u c e dm e l t a c t i v a t i o n ，简称s i m a 法) 制备出半固态m g s i s n 台会，实现粗大枝晶初生 a m g , 和t y 字状共晶m 9 2 s i 相的双重球化。半固态等温热处理能够实现在半固 态成形前的二次加热过程中，直接将锭坯演变为半固态非枝晶组织，有效地 防止了镁合金的氧化燃烧，而且工艺简单、成本低廉。s i m a 法是具有广阔发 展前景的镁合金半固态成形方法之一，由于预先对合金进行了塑性变形，可以 获得更加细小的晶粒组织，从而提高m g - s i s n 系镁合金的强韧性。 吲11m 9 2 s i a 复合材料不同热处理温度f 的半固态组织陋i ( a ) 5 4 5 cc o ) 5 5 5 c ( c ) 5 6 5 c ( d ) 5 7 5 c 1 2 耐热镁合金的研究现状 1 21 常用耐热镁合金的研究现状 耐热性主要是指材料在高温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。耐 3 哈尔溟t 杵人学硕十掌何论文 热性主要是指材料在高温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。耐热镁 合金一般指能在1 5 0 6 c 以上温度范围内长期工作的镁合金，比一般镁合金使用 温度高5 0 - 2 0 0 。2 0 世纪中叶，航空业的发展带动了耐热镁合金的开发，主 要应用于飞机发动机零部件。目前的耐热镁合金体系主要有m g a 1 系、m g z n 系和m g r e 系。 1 2 1 1 m g - a i 系耐热镁合金 m g - a 系合金是目前牌号最多，应用最广的系列。这类合金的典型代表 有m g - a 一s i ( a s ) 系、m g - a i - c a ( a c ) 系、m g - a i - r e ( a e ) 系、m g - a i - s r ( a j ) 系等。 商用a s 系镁合金a s 4 1 ( m g - 4 a i 1 o s i ) 和a s 2 1 ( m g 2 2 a i 1 o s i ) ，是 由德国大众公司开发成功的。这类合金具有热稳定相m g e s i ，该相在3 0 0 c 以 下相当稳定，通常以以多角形大颗粒状存在于晶内或者以汉字状存在于晶界 【3 l 】。由于合金组织中存在m 9 1 7 灿1 2 ，其抗蠕变性能的提高有限。a s 合金在 较慢的冷却条件下，生成的粗大m 9 2 s i 相会显著地恶化合金的性能，通常是 加入s b 、p 和c a 等分别生成m 9 3 s b 2 、c a s i 2 和m 9 3 ( p 0 4 ) 2 作为异质核心来细 化m 9 2 s i 。a s 4 1 已经用在大众汽车“甲壳虫 系列的发动机和空冷汽车发动 机曲轴箱上。a s 2 1 比a s 4 1 的铝含量更低，抗蠕变性能更好，但是由于合金 的液相线温度高，合金的流动性差，铸造更难，较难应用。 a c 系合金主要有m g a i c a 3 3 合金( m g 一3 a 1 - 3 c a 0 6 m n ) 和a c m 5 2 2 合金 ( m g 5 a i ，2 c a - 2 r e 0 3 m n ) 。上世纪7 0 年代大众公司率先尝试开发c a 含量为 1 的m g a 1 c a j a 铸合刽3 2 1 。日本科研人员研发成功i 拘m g a l c a 3 3 合金具有良 好的压铸性能和高温力学性能，由于当c a a l 比值大于0 8 ，合金中弥散的 m g l 7 a l l 2 相被热稳定更高的m 9 2 c a 沉淀相大量取代，使其蠕变性能优于a e 4 2 合金，而且铸造性能良好。日本开发的a c m 5 2 2 合金可在1 5 0 2 0 0 c 的范围 使用，显微组织为初生的0 【m g 和在晶界分散着的黑色的魁c e 相粒子及浅色 的m 分c a 和础c a 等相组成的化合物【3 3 l 。b o br p ，l u o a a 等人研制了a x 镁合 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 1 金( m g - a 1 c a ( s r 、s i ) ) 系合金，由于生成一种新的类似于镁合金原子结构 的六方晶系金属间化合物( m g ，a 1 ) 2 c a ，而且该化合物与基体形成共格界面， 从而对晶界滑移起到钉扎作用，提高合金的蠕变抗力，其抗蠕变性能明显优 于a e 4 2 合金，可以应用于汽车发动机和传动系统【3 4 , 3 5 】。 a e 系合金的典型代表是a e 4 2 合金( m g - 4 a 1 2 r e ) 。早在上世纪7 0 年 代，f o e r s t e r 在m g a l 合金中加入c e 后使合金的高温性能得到改善。由于稀 土与结合形成化合物，减少了m 9 1 7 趟1 2 化合物的数量，从而提高合金的 高温性能，a 1 r e 相熔点高，加上稀土元素的扩散速度慢，具有很高的热稳 定性i 甄明。目前a e 4 2 合金已经被通用公司用于生产变速箱。由于a e 合金 生产成本高，铸造性能较差，使其应用受到限制。 a j 系合金是由n o r a n d a 公司开发成功的，已经开发出a j 5 1 x ( m g - 5 a 1 - 1 2 s r ) 、a j 5 2 x ( m g - 5 a 1 1 8 s r ) 以及a j 6 2 x ( m g - 6 a i 2 1 4 s r ) 等 多种试验合金【3 引。触系合金的特点是m g 基体中甜的过饱和固溶度较低， 薄片状的a 1 4 s r - ( i ( m g ) 共晶体存在于晶界或者树枝晶间，m 9 1 7 a 1 1 2 相被高熔点 的砧4 s r 和m 9 1 刘3 s r 所取代，在1 7 5 。c 时具有优良的抗蠕变性能和拉伸强度， 可以有效满足1 5 0 1 7 0 高温下汽车传动和发动机部件的强度和蠕变要求。 另外，a j 6 2 x 合金具有足够的螺栓载荷持久能力、高的疲劳极限和综合机械 性能，被用来生产汽车曲轴箱的压铸件。 1 2 1 2m g - z n 系耐热镁合金 由于m g a l 系合金( 如a z 8 1 a 、a z 9 1 d ) 的屈服强度( 0 0 2 ) 一般较低， 降低了它们的承载能力。所以各国致力于开发具有高0 0 2 值的高强度镁合金。 目前，高强度耐热镁合金多数都以m g z n 合金作为基体。由于z n 增加热裂 倾向和显微疏松，因此m g - z n 系合金中第三组元元素的选用应首先考虑克服 m g z n 二元合金所固有的脆性以及热收缩性，如添加z r 来改善其铸造性能和 其它性能。m g z n z r 系合金包括z k s l 、z k 6 1 等【3 9 1 。m e l 开发的z c 6 2 ( m g 6 z n 1 5 c u 0 3 5 m n ) 合金和z c 6 3 ( m g 6 z n 3 c u 0 5 m n ) 合金性能良好 5 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 m ，4 。其中，z c 6 2 合金的室温和高温性能都优于a s 2 1 合金。而z c 6 3 合金 具有中等室温强度，使用温度可以到1 5 0 。尽管加入少量c u 对镁合金腐蚀 性能有害，但完全热处理后的z c 6 3 合金在盐雾中的耐蚀性较a z 9 1 c 更好。 z c 6 3 合金可用于砂型重力铸造和精密铸造。 1 2 1 3m g - r e 系耐热镁合金 m g r e 系合金是重要的耐热合金系，适用于2 0 0 - 3 0 0 下长期工作的零 部件。含r e 的析出相通常具有高的热稳定性，同时r e 元素在镁基体中扩散 速率较慢，使得m g r e 合金具有较高的高温强度和优良的抗蠕变性能。 1 9 4 7 年s a u e r w a r d 发现z r 在m g r e 合金中具有显著的晶粒细化作用， 这一重要发现导致了一系列含稀土镁合金的开发。e k 3 0 a 是第一个以r e 为 主要合金元素的高温铸造镁合金，该合金满足了2 0 0 高温强度和抗蠕变性 能的要求，在航空发动机上得到了应用。e k 4 1 ( m g - 3 5 r e 0 6 z r - 0 4 z n ) 是 在e k 3 0 a 基上进一步增加r e 含量并加入z n ，其铸造性能有进一步改善。 a g 能明显改善m g r e 合金的时效硬化效应，因此开发了e q 2 1 、q e 2 2 、 q h 2 1 等合金。e q 2 1 合金直到2 5 0 。c 仍具有高强度。q e 2 2 合金具有很高的 屈服强度和相对较好的疲劳抗力，2 0 0 下的抗蠕变性能与e z 3 3 相当，长期 以来广泛用于飞机、导弹部件的生产【4 2 1 。钇、钪对镁合金的有益影响是一个 非常重要的发现。目前已开发出系列含y 的w e 型合金。w e 5 4 是商业化合 金中耐热性最好的，长期使用温度为3 0 0 ，该合金具有显著的时效硬化效 果，室温、高温拉伸性能和抗蠕变性能都非常优越，而且具有优良的抗腐蚀 性能。在w e 5 4 基础上适当降低y 、n d 含量，高温强度略有下降，但可以 保持良好的韧性，因此开发了w e 4 3 合金，适于2 5 0 应用。该合金已广泛 应用于赛车及航空飞行器变速箱壳体上。9 0 年代末期，德国科学家试制了 m g s c m n 新型耐热镁合金 4 3 , 4 4 】，目前该类合金尚处于实验室开发阶段。 1 2 1 4 存在的问题及发展趋势 总体上讲，现有的耐热镁合金的性能无法超过铝合金，一方面与镁的本 6 哈尔滨上程大学硕士学位论文 征性能有关，另一方面是镁材料的耐热性能有待发掘。现有的耐热镁合金系 中，m g a i 系和m g - z n 系价格低廉，但是耐热性能不理想：m g r e 系的耐热 性能好，但是成本高，商业化应用难以推广。因此，深入研究廉价元素如碱 土会属( c a 、s r 、b a ) 以及第1 v 、v 族元素( s i 、s n 、p b 、s b 、b i ) 对镁合 金耐热性能的影响，利用多元微合金化技术，综合利用各种元素的强化作用， 抑制单一元素的不良影响，开发低成本，综合性能优良的耐热镁合金，这将 是廉价耐热镁合金发展的一个重要方向。 122 m g si - s n 系镁合金的研究现状 对于m g s n 基元合金的研究，国外的研究机构主要有德国的g k s s 、韩 国浦项工科大学、日本筑波大学、澳大利亚的蒙纳士大学等 4 3 - 5 0 】。为了提高 m g - s n 合金时效强化效果，日本筑波大学和澳大利亚的蒙纳士大学的学者研 究了通过m g s n 合金添加z n 改变m 9 2 s n 相析出时与基体的位向关系，从而 提高时效强化效果，但是对它的影响机理还不完全清楚。同时，澳大利亚的 图l2 压铸1 a s 8 3 】合金的透射电镜图象h 7 】 蒙纳士大学c l m e n d i s 的研究结果认为添加n a ， n + l i 在m g - s n 合金中起 到异质晶核的作用，有效细化m g s n 合金中沉淀相的尺寸并缩短m g s n 合金 时效显微硬度到达峰值的时间，且n a 的作用更加显著。德国的g k s s 重点 研究了m g s n 基合金中加入一些的三重元素之后如z n ，a l ，c a 等，对其蠕 7 哈尔滨。i ：稃大学硕十学伊论文 变性能和显微结构的影响，结果表明m g s n 基合金在抗蠕变方面都表现出了 一定的潜力。韩国浦项工科大学的k a n g 等人采用压铸技术制备了 m g 一8 s n - 3 a 1 - 1 s i 镁合金，并通过透射电镜( t e m ) 测试发现m 9 2 s n 和m 9 2 s i 颗粒弥散分布在三角晶界处，对晶界滑移起到了很好的钉扎作用，如图1 2 所示。与压铸a z 9 1 合金相比，t a s 8 3 1 合金在室温和高温下具有较好的联合 拉伸性能。 近年来，国内学者对m g s n 二元合金的组织与性能也进行了相关的研究， 研究发现s n 对镁的强化作用并不因为温度的升高而消失或剧烈下降。东南大 学的孙扬善等人【9 】的研究表明，s n 能使纯镁铸锭中粗大的柱状晶转化为均匀 的等轴晶，并有效地细化晶粒。另外，s n 添加后形成的m 9 2 s n 相硬度和熔 点高，热稳定性好，能够对基体产生有效的弥散强化作用，从而提高m g - s n 二元合金的室温及高温强度。四川大学的刘红梅等人【5 1 5 2 j 研究了 m g 1 0 w t s n 二元合金的显微组织，力学性能以及蠕变行为，结果表明：当 s n 含量5 叭，合金的抗拉强度和伸长率随s n 的增加而增加，s n 的细晶 强化起到了主要作用，但是当s n 含量超过5 w t 时，合金的抗拉强度、特别 是伸长率降低，细晶强化作用消失和脆性的m 9 2 s n 颗粒数量增多是主要原因； 另外还发现m g 1 0 w t s n 合金在1 5 0 时的抗蠕变性要优于a e 4 2 合金。 对m g s i s n 系耐热镁合金的研究，国内外相关报道很少。除公开号分别 为j p 7 3 3 7 4 a ( 日本) 和c n l 9 9 5 4 2 5 a ( 中国) 的两个专利外，国外学者j u n g 等人【5 3 】对m g s i s n 系镁合金进行了热力学模拟，对所有可用的m g - s i 和 m g s n 二元体系，m g s i s n 三元体系的热力学和相图数据都进行了精密的计 算，而且对所有可靠的数据同时进行了优化。用修正的q u a s i c h e m i c a l 模型对 m g s i s n 液相的强烈次序进行了很好的描述，而且也很好的复制了固体 m 9 2 s i m 9 2 s n 固溶相的可混合性间隙。m g s i s n 体系的未知相图和热力学性 能根据目前的热力学模型进行了预测。优化的模型参数可以很容易地与一般 的热力学软件和数据库结合使用，例如f a c t s a g e ，可以计算在任何给定的条 件下，m g s i s n 体系的相平衡和热力学性能( 图1 3 ) 。 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学1 _ ) = 论文 图1 3m g - s i s n 体系中m 9 2 s i m 9 2 s n 二元相区优化后的相图【5 3 】 1 3 镁合金半固态成形技术的研究现状 1 3 1 镁合金半固态坯料的制备方法 众所周知，半固态金属成形( s e m i s o l i dm e t a l 简称s s m ) 由于具有较低 的成形温度，可以有效解决镁合金在熔化过程中的氧化和燃烧问题，以及压 铸件中气孔、缩孔等铸造缺陷，现在已经发展成为一种生产镁合金结构件的 一种重要的成形方法。镁合金的半固态成形可以分为流变成形( r h e o c a s t i n g ) 和触变成形( t h i x o f o r m i n g ) ，这两种成形方法在工艺上有一定差别，但都首 先需要制备出具有均匀细小的非树枝状组织的金属坯料。因此，如何获得良 好的半固态金属坯料，是半固态金属成形技术的基础与关键。国内外学者在 此方面已做了大量的研究工作，并提出了许多半固态金属浆料的制备方法。 由于镁合金本身的固有特性，其中应用于镁合金的方法主要有机械搅拌法、 电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法、半固态等温热处理法、近液相线铸造法 和n r c 控冷技术等 5 4 , 5 5 1 。 1 3 。1 1 机械搅拌法 机械搅拌法【5 6 】是制备半固态合金最早使用的方法。其原理是利用机械外 o perq歪禽一暑1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 力使生长过程中的枝晶破碎而成为颗粒状，机械搅拌法的设备构造、工艺操 作简单，一般分为连续式与间歇式两种，如图1 4 所示。采用机械搅拌法， 可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形微观结构，但往往存在搅 拌不到的死区，影响了浆料的均匀性，而且搅拌过程的防护和搅拌叶片的热 蚀均对半固态浆料的质量产生直接影响。 0 0 0 0 o 0 ( a ) 连续式 1 3 1 2 电磁搅拌法 o o o o o o o 图1 4 两种机械搅拌示意图 ( b ) 间歇式 o o o o o o o ( a ) 垂直式( b ) 水平式 图1 5 电磁搅拌示意图 电磁搅拌法【5 7 】是通过电磁力改变凝固过程中熔体的流动、传热和传质， 1 0 哈尔滨l ：样人学硕十学位论文 达到晶粒细化的目的。电磁搅拌按磁场方向分为水平式与垂直式，如图1 5 所示。电磁搅拌法克服了机械搅拌的大部分缺陷，它是一种非接触式搅拌， 搅拌过程易于控制，不污染金属浆料，才i 会卷入气体，可实现连续铸造，生 产效率高，且电磁参数控制方便灵活，因此，在工业中得到广泛应用。目前， 工业上用电磁搅拌法可以生产出直径达3 8 1 5 2 m m 的铝合金半固态铸棒。但 是，交变电流的集肤效应使得电磁力从铸棒四周到中心逐渐减弱，所以，电 磁搅拌法不宜生产更大直径的铸棒，而且这种方法电能消耗量大，设备结构 复杂，工艺复杂而且成本高，搅拌效率有待于进一步提高。 13 13 近液相线铸造法 近液相线铸造法将镁合金加热到液相线附近或稍低于液相线的微小 温度区间内，静置一段时间后进行浇铸，即可获得半固态非枝晶组织。近液 相线铸造法操作简便，但对熔体温度的控制要求较高，而且得到的非枝晶组 织形貌不圆整，晶粒尺寸较大。 1314 n r c 控冷技术 冒i 冒l 鼢圈 黝浇入容器 冷却调节温度流注成彤产品 凹1 6 n r c 控冷技术i 艺幽 n r c 控冷技术刚是f 1 本开发的一种新的流变成形工艺，可以实现半固态 浆料制各和成形的一体化，适用于各种轻会属合金。n r c 控冷技术的工艺流 程如图1 5 所示，熔融镁合金浇入不锈钢杯中后，通过控制冷却速度和采用 电磁加热搅拌方式，可获得稳定的半固态浆料，然后将其倒入挤压机料筒内 挤压成形。n r c 法与触变成形不同之处是一步法成形，整个工艺过程需要严 格控制镁液的冷却速度。 1 1 哈尔滨- | 稗大学硕十学倚论文 1 3 1 3 应变诱发熔化激活法 s i m a 法其工艺过程是预先铸造出金属锭，再将金属锭进行足够的塑性 变形，产生应力集中，积聚一定变形能，然后加热到固液两相区，而后进行 等温热处理。s i m a 法制备半固态镁合金，由于半固态组织的形成是在固态 下完成的，可以解决镁合金氧化燃烧，压铸件中气孔、缩孔等铸造缺陷，与 传统的半固态坯料制备方法如电磁搅拌法相比，无需进行熔化保护，从而可 以回避环境污染、劳动安全以及因复杂昂贵的保护系统所带来的设备成本等 问题。因此，s i m a 法在镁合金半固态成形方面具有独特优势，特别是近几 年采用s i m a 法制备镁合金半固态组织坯料的研究比较多，取得了很多基础 研究成果，但是主要集中在a z 9 1 镁合金方面。西安理工大学的翟秋亚等人 | 6 0 - 6 2 1 采用s i m a 法，研究了挤压变形和压缩变形下不同工艺参数对a z 9 1 d 镁合金半固态组织演化的影响，提出了s i m a 法制备镁合金半固态球状化组 织的形成机制及工艺参数。哈尔滨工程大学的吉泽生等人f 6 3 ，删考察了变形 率、温度、保温时间对a z 9 1 d 镁合金固相体积分数、组织形态以及晶粒尺寸 的影响，结果表明：在冷变形条件下，于5 7 0 保温一定时间后，可制备出 固相体积分数最小达5 5 的镁合金半固态材料；另外，还进一步研究了不同 温度和保温时间对a z 3 1 镁合金半固态组织形态的影响，给出了镁合金半固 态组织演变过程示意图。北京有色金属研究总院的王怀国等人1 6 5 】通过对 a z 9 1 d 镁合金热挤压坯料在二次加热过程中的组织演化研究，探讨了a z 9 1 d 合金在二次加热过程中液相产生的机理，给出了液相体积分数与再结晶组织 的关系。试验证明：提高二次加热的升温速度可以细化再结晶晶粒，增加一 定条件下的液相体积分数，从而改善合金坯料的触变性能。南昌大学的张发 云等人【删研究了s i m a 法制备的a z 6 1 镁合金半固态坯料在二次加热时加热 温度和保温时间对其组织的影响，结果表明，二次加热初期半固态组织首先 熔合合并，随着保温时间延长，晶粒逐渐长大和球化，液相份数增加；保温 温度越高，晶粒长大和球化速度加快。吉林大学的王金国等人1 67 j 研究了不同 热处理工艺参数及原始铸态组织对a z 9 1 d 镁合金半固态组织的影响，s i m a 1 2 哈尔滨i ：挥大学硕十学位论文 法获得镁合金球状晶的机制，提出了s i m a 法球状晶形成的物理模型：加热 预变形合金一合金产生回复和再结晶一再结晶晶粒合并、长大一共晶组织溶 解一二次枝晶合并一溶质原子沿亚晶界扩散亚晶界处出现液相一液相量逐渐 增加一亚晶粒分离成为球状晶粒。甘肃工业大学的李元东等人【删研究了利用 s i m a 法制备a z 9 1 d 镁合金半固态非枝晶时的组织转变过程。实验结果表明： 具有树枝晶形态的a z 9 1 d 合金经2 0 及3 0 的预变形后，在半固态升温 ( 5 4 0 - - - 5 8 0 ) 或保温( 5 7 0 ) 过程中，其组织形貌由粗化的等轴晶及短树 枝晶依次转变为小块状细晶粒一团块状一球状大晶粒。 1 3 1 4 半固态等温热处理法 半固态等温热处理法，它是采用变质处理细晶法与特殊凝固或加热条件 相结合，来制备半固态坯料的一种方法。它是在合金融熔状态时加入变质元 素，进行常规铸造，而后重新加热到液固两相线区进行保温处理( 半固态等 温热