（材料加工工程专业论文）新型mgalsnsi合金的制备及组织控制.pdf

， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f d e n g n - jj一 r r e p a r a t i o na n dm l c r 0 s t r u c t u r ec o n t r o l o fn e w m g a l s n s ia l l o y c a n d i d a t e ：f e n gd a n s u p e r v i s o r ：p r o f l ix i n l i n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 010 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 010 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - j 一 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) ：7 圳 日期： 必加年；片7 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) ：7 易舟 日期：切。年；月7 日 导师( 签字) ： 年月 ， _ c 0 一 一 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 本文成功制备出了m g - 3 a l - 3 s n - l s i ( a t s 3 3 1 ) 和m g 6 a 1 3 s n 1 s i ( a t s 6 3 1 ) 两种合金的铸态坯料。利用x 射线衍射仪、光学显微镜以及拉伸实验等实验 手段，对铸态合金的相组成、组织结构和力学性能进行了分析和测试。研究 结果表明：合金在加入s n 元素后，合金中粗大的仅m g 枝晶有所细化，砧 含量的增加在提高材料拉伸强度的同时降低了延伸率；m 9 2 s i 、m 9 2 s n 的引 入提高了材料的高温拉伸性能，砧含量较高时，m 9 2 s i 、m 9 2 s n 对材料的高 温拉伸性能改善效果更好。但是，粗大的汉字状m 9 2 s i 相影响了材料性能的 进一步提高。 本文同时采用固溶处理( t 4 ) 、固溶+ 人工时效处理( t 6 ) t 艺对铸态材料进 行了热处理。研究结果发现g 经过t 4 及t 6 热处理，合金的拉伸强度及延伸 率与铸态相比都有一定程度的提高，但也观察到合金的材料中m 9 2 s i 相变化 不大，m g a s i 相大多数仍然以汉字状或纤维状存在。 本文还采用等温热处理法制备镁合金半固态坯料，研究了半固态等温热 处理工艺对a t s 3 3 1 和a t s 6 3 1 两种合金半固态组织的影响，并获得了较佳的 工艺参数，即当a t s 3 3 1 合金的等温处理温度为6 1 0 ，等温处理时间为 1 0 - 2 0 m i r aa t s 6 3 1 合金的等温处理温度为5 7 5 ，等温处理时间为1 0 2 0 m i n 时，能获得液相量适当且晶粒细小、圆整的半固态组织。 最后探讨了m g a 1 s n s i 合金半固态坯料中非枝晶组织的形成机制，主 要包括三个过程：( x - m g 晶粒的球化机制、晶内共晶m g a s i 相的球化机制和 晶界液相中块状m 9 2 s i 的形成机制。研究发现，半固态等温热处理法获得球 状仅m g 晶粒的机制主要可以用枝晶熔断机制来解释；晶内的汉字状共晶 m 9 2 s i 相的球化机制可归因于“r a y l e i g h 形状失稳 ；晶界液相中块状m 9 2 s i 相的形成机制可以根据溶解析出机制来进行解释。 关键词：m g 枷s n - s i 合金；m g a s i 相；半固态：非枝晶组织；形成机制 哈尔滨下程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t t i ea s - c a s tm g - 3 a i - 3 s n - l s i ( a t s 3 3 1 ) a n dm g - 6 a 1 - 3 s n - l s i ( a t s 6 3 1 ) a l l o y sw e r ef a b r i c a t e db ym e a n so fp e r m a n e n tm o l dc a s t i n gm e t h o d 1 1 1 ep h a s e c o m p o s i t i o n s ，m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h ea s - c a s t c o m p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a l 岱o fx - r a yd i f f r a c t i o n ( m ) a n a l y s i s ， o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) a n a l y s i sa n dt e n s i l et e s t mr e s u l t ss h o wt h a tt h e c o a r s ep r i m a r yo r - m gp h a s e si nt h ea s c a s tm g - 砧s i - s na l l o y sc a nt r a n s f o r mi n t o f i n es h a p ea f t e rt h ea l l o y sw e r ea d d e dw i ms n n 圮a s - c a s ta l l o y sh a v ei m p r o v e d t e n s i l es t r e n g t hb u tl o w e re l o n g a t i o n 、 ，i t l li n c r e a s i n ga ic o n t e n t s 1 1 1 cf o r m a t i o n o fm 9 2 s ia n dm 9 2 s np a r t i c l e s i m p r o v e dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h e e x p e r i m e n t a la l l o y sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s ，a n dt h eh i g h e ra 1c o n t e n tt h ee f f e c t m o r eo b v i o u s h o w e v e r , t h em 9 2 s ip h a s e se x i s t e di nt h ef o r mo fc o a r s ec h i n e s e s c r i p ti nt h em a t r i x ，w h i c hw o u l dg r e a t l yd e t e r i o r a t et h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to f m 9 2 s i m p r o c e s s e so fs o l u t i o n ( t 4 ) a n ds o l u t i o n + a r t i f i c i a la g i n g ( t 6 ) h e a t t r e a t m e n tw e r eu s e dt os t r e n g t h e nt h e 嬲一c a s ta l l o y s i ti so b v i o u st h a tt h et e n s i l e s t r e s sa n dt h et e n s i l es t r a i ni n c r e a s ed r a m a t i c l ya f t e rd e a l i n gw i mt h ep r o c e s s e so f 1 4a n dt 6h e a tt r e a t m e n t h o w e v e r , t h em 9 2 s ip h a s e sc h a n g es l i g h t l y , t h e m o r p h o l o g yo ft h ee u t e c t i cm 9 2 s is t i l lk e e pi t sc h i n e s eo rf i b r es c r i p ti nt h e m a t r i x i nt h i s p a p e r , a t s 3 3 1a n da t s 6 31 a l l o yb i l l e t s w e r eo b t a i n e dt h r o u g h s e m i - s o l i di s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n t ，r i 圮e f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so n n o n d e n d r i t i cm i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o n d u r i n gi s o t h e r m a l h e a tt r e a t m e n tw e r e i n v e s t i g a t e d t l 舱r e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e l a t i v eo p t i m u mh o l d i n gt e m p e r a t u r e s a n dt i m e ss h o u l db ec h o s e n ：5 7 5 a n d1 0 2 0m i nf o ra t s 6 3 l ，6 1 0 a n dl m 也o m i nf o ra t s 3 3 1 ，r e s p e c f i v e l y t h u sf i n ea n dg l o b u l a ro rs p h e r i c a lg r a i n sw e r e n 一 哈尔滨- 丁程大学硕士学位论文 a t t a i n e d ，a sw e l la sa p p r o p r i a t el i q u i df r a c t i o ni nt h es e m i - s o l i dm i c r o s t r u c t u r e t os t u d yt h em e c h a n i s mf o rf o r m a t i o no fn o n - d e n d r i t em i c r o s t r u c t u r eo f s e m i - s o l i dm g - a 1 - s n - s i a l l o yb i l l e t s ，i n c l u d i n g t h em e c h a n i s mo fo 【- m g s p h e m i d i z a t i o n , t h es p h e r o i d i z a t i o nm e c h a n i s mo fi n t r a g r a n u l a rm 9 2 s ip h a s ea n d t h ee v o l u t i o n a lm e c h a n i s mo fm 9 2 s ip h a s ea t g r a i nb o u n d a r y n e f i r s t m e c h a n i s mc o u l db ei l l u m i n a t e db yd e n d r i t em e l t i n g ，1 1 1 es e c o n do n es e e m st ob e a t t r i b u t e dt ot h e “r a y l e i g hs h a p ei n s t a b i l i t y ”t h ef i n a lm e c h a n i s mi sa s s o c i a t e d w i t l lt h er e s o l u t i o n - p r e c i p i t a t i o n k e yw o r d s ：m g a i s n - s ia l l o y ；m 9 2 s ip h a s e ；s e m i - s o l i d ；f o r m a t i o nm e c h a n i s m ； n o n d e n d r i t i cs t r u c t u r e i i i 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景及选题意义1 1 2 镁合金常用的m 9 2 s i 变质剂及其变质机理2 1 2 1 初生m 9 2 s i 相变质3 1 2 2 共晶m 9 2 s i 相变质5 1 3 m g - a i s i 合金的热处理8 1 3 1 常用的镁合金热处理方法8 1 3 2 m g a l - s i 合金的热处理的研究现状”1 0 1 4 m g - a 1 - s i 合金的半固态处理1 2 1 4 1 半固态等温热处理方法l2 1 4 2 等温热处理方法半固态组织演变机理1 3 1 5 研究内容l5 第2 章试验材料与研究方法1 5 2 1实验材料”l6 2 2 合金的制备及熔炼”16 2 3 研究不同工艺方法对合金的影响1 7 2 3 1 合金的热处理17 2 3 2 合金的半固态等温热处理1 8 2 4 实验研究的技术路线19 2 5 样品表征2 0 2 6 本章小结”2 l 第3 章m g a 1 s n - s i 合金铸态组织及性能“2 2 3 1 m g - a l - s n s i 合金铸态组织2 2 3 2 铸态m g - a l - s n - s i 合金拉伸性能2 5 3 3 铸态m g - a i - s n - s i 合金拉伸性能强化机理2 7 i v ， 1 ， 一 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 3 4 本章小结2 8 第4 章热处理变质m g a i s n s i 合金组织及性能2 8 4 1 热处理对m g a i s n s i 合金的组织的影响3 1 4 1 1 固溶处理( t 4 ) 对m g a i - s n - s i 合金的组织的影响3 l 4 1 2 固溶加时效处理( t 6 ) 对m g a 1 - s n - s i 合金的组织的影响3 4 4 2 热处理对m g a 1 s n s i 合金的性能的影响3 7 4 3 本章小结3 9 第5 章半固态等温热处理工艺参数对m g a 1 - s n - s i 合金的影响4 0 5 1等温热处理工艺参数对a t s 3 3 1 合金半固态组织的影响4 l 5 1 1 等温处理温度对a t s 3 3 1 合金半固态组织的影响“4 l 5 1 2 等温处理时间对a t s 3 3 l 合金半固态组织的影响”4 9 5 2 等温热处理工艺参数对a t s 6 3 1 合金半固态组织的影响5 1 5 2 1等温处理温度对a t 6 3 31 合金半固态组织的影响”5 1 5 2 2 等温处理时间对a t s 6 3 1 合金半固态组织的影响”5 9 5 3 本章小结”6 1 第6 章半固态m g a 1 一s n s i 合金组织演变机理6 2 6 1 0 【m g 晶粒的球化机制6 2 6 2 晶内共晶m 9 2 s i 相的球化机制6 5 6 3 晶界液相中块状m s i 的形成机制6 7 6 4 本章小结7 2 结论7 3 参考文献7 3 攻读硕士学位期间发表的论文8 1 致谢”8 2 v 哈尔溟t 程大学硕士学位论文 i i 第1 章绪论 1 1 课题背景及选题意义 镁合金作为最轻的工程结构金属材料，具有许多优异的独特性能，如比 强度高、比刚度高、导电导热性好，兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能， 易于加工成形，良好的再生回用等优点，在汽车、通讯设备、航空等领域中 得到了较为广泛的应用。因此，镁基材料被认为是本世纪最有开发前途和应 用潜力的绿色工程材料 【i 2 1 。 但是，目前常用的镁合金存在拉伸强度低、耐热性差、耐磨性低等严重 的不足，大大限制了镁合金的进一步发展及其工业应用。虽然颗粒增强镁基 复合材料具有低的热膨胀系数、高的弹性模量和好的耐磨性等优点，但是， 传统复合材料的制备技术一直面临着增强颗粒与基体之间的润湿性较差及其 界面结合强度较低等诸多难题的挑战【3 1 。 加入合金元素是改善合金性能最常用和最有效的方法之一【4 】。合金在结 晶凝固过程中弥散析出的第二相，可以起到限制位错运动和有效钉扎晶界的 作用，从而提高其高温蠕变性能【5 】。 铝是镁合金中最为重要的合金化元素之一，铝在固态镁中具有较大的固 溶度，其平衡极限固溶度为1 2 7 。一般而言，加铝对镁进行合金化有利于 镁合金耐蚀性的提高，铝的加入还可以改善铸件的可铸造性，提高镁合金的 强度【6 l 。m g a l 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 1 - s i ( a s ) 系、m g a 1 c a ( a c ) 系、m g a 1 - r e ( a e ) 系、m g a 1 s r ( a j ) 系等。m g a l 系合金会连续析出m g l 7 a l l 2 相，这种板条状的析出相熔 点较低，仅为4 3 7 c 。合金中9 0 以上m g l 7 a l l 2 平行于m g 基体的( 0 0 0 1 ) 基面 析出，且与基体之间无共格关系，不能为位错运动提供大的阻力。此外，随 温度升高，m g l t a l t 2 发生不稳定相变，极易软化、粗化，不能有效地钉扎晶 界川。 另外有研究指出，s i 加入到m g - a i 合金后可以弥散析出具有高熔点( 1 0 8 5 l ， 0 d 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ) 、高硬度( 4 6 0 h v ) 和低的热扩散系数( 7 5 1 0 击) 等特性的m 9 2 s i 相【8 】。目前， m g a 1 s i 系耐热镁合金由于具有高温性能较好和成本较低等优势，被认为是 一种适合1 5 0 以下有发展前途的高温抗蠕变镁合金。实际上早在上世纪7 0 年代，人们就已经开始了含s i 耐热镁合金的研究，并先后开发出了a s 4 1 、 a s 3 1 、a s 2 1 和a s 2 1 x 等a s ( m g - a 1 s i ) 系耐热镁合金。尽管目前这些已开发 出的a s 系镁合金有较高的高温性能，但其推广应用仍然因种种不足而受到 一定程度的限制，而这其中比较典型的一个问题是s i 在镁合金中形成的 m 9 2 s i 相有两种形态【l0 1 ，一种为汉字状，一种为多边形状。汉字状m 9 2 s i 相 是合金在凝固过程中发生共晶反应时产生的；多边形m 9 2 s i 相是合金在凝固 过程中作为初生相形成的。在合金的铸造过程中m 9 2 s i 相周围存在很大的应 力集中，会促进合金组织中显微空洞的萌生和扩展，并且随着温度的升高， 空洞会随之增大，导致合金力学性能大幅度降低，尤其是延伸率。粗大的 m 9 2 s i 颗粒将极大地恶化材料的力学性能，使得m g a 1 s i 系耐热镁合金目前 仅适用于冷却速率较快的压铸件而无法用于砂型铸造等工艺【9 1 1 】。 因此，本文意图在于开发一种新型m g a 1 s i 系耐热镁合金，在解决镁合 金耐热性不足问题的同时，通过一些工艺方法( 如：热处理方法、半固态方法 等) 来改善合金中m 9 2 s i 的形貌及细化粗大的m 9 2 s i 颗粒，为制备出耐热性 及力学性能兼备的新型镁合金奠定一定的理论和应用基础。 1 2 镁合金常用的m 9 2 s i 变质剂及其变质机理 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 4 - 1 9 】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【2 0 。2 1 】。然而，以上技术对于m 9 2 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 相进行变质是一种效果比较明显的方 法。变质法是通过添加变质剂或改变生产工艺，使晶体各向异性的择优生长 方式转变为各向同性的生长方式，从而大大简化了生产工艺，并降低了生产 2 0 一 哈尔滨丁释大学硕十学何论文 1 17 1 成本。本文将从初生相变质和共晶相变质两个方面来进行简要论述。 1 2 1 初生m 9 2 s i 相变质 近年来，科研工作者采用为了制备出具有较佳组织细化变质合金中粗大 的初生m 9 2 s i 相的变质剂主要包括有k b f 4 盐、s b 、n a 、s r 和r e 等。 1 、k b f a 盐变质初生m 9 2 s i 相 w a n g e ta 1 2 2 采用k b f 4 和k 2 t i f 4 作为添加变质剂，对m g 5 s i 进行了变 质处理。研究表明，添加k b f 4 后，初生m 9 2 s i 的尺寸发生骤减，粗大树枝 晶变为规则的块状，同时汉字状共晶m 9 2 s i 变为细小的纤维状。但当加入 5 k 2 t i f 6 时，初生m 9 2 s i 的尺寸减小很有限，其形貌基本未发生变化。在加 入5 的k b f 4 + k 2 z i f 6 时，所得的初生m 9 2 s i 比k b f 4 单一变质时要粗大，而 且仍然为不规则的形状。研究者认为是b 原子可能吸附在m 9 2 s i 晶粒的生长 前沿，毒化了m 9 2 s i 的生长方式，从而抑制了m 9 2 s i 的各向异性生长，但由 于，n 与b 发生反应，所以k 2 t i f 6 起不到变质效果。之后的研究发现，k b f 4 变质合金中a l 的添加会导致初生m 9 2 s i 的形态由细小的八面体转化为粗大的 树枝晶；并且随着砧含量的增加，初生m 9 2 s i 树枝晶变得越来越粗大，a l 的加入会导致k b f 4 对m g - 5 s i 合金变质的失效。砧对未变质合金中初生 m 9 2 s i 的形态和尺寸影响不大。研究者认为在k b f 4 变质合金中，微量砧的 添j ；n ( 0 3w t ) 会导致合金中初生m 9 2 s i 的形态由细小的八面体转化为粗大的 树枝晶，表明砧会引起k b f 4 变质m g s i 合金的失效。失效机制是由于砧 和熔体中的b 反应形成a i b x ，从而消耗了熔体中的b 。因此，a l 不适合作 为k b f 4 变质m g s i 系合金的合金化元素。 2 、s b 变质初生m 9 2 s i 相 孙丰泉等人1 2 3 】利用m g s i 二元合金结晶的特点，在普通重力铸造的条下 制备了m g - 1 0 s i 合金，并着重研究了s b 对合金中m 9 2 s i 增强相形态的影响。 结果表明，当合金未经s b 变质时，凝固组织中m 9 2 s i 星粗大的树枝状，尺 寸约为8 0 1 - l m - 1 0 0 v a n 。当加入0 4 的s b 后，凝固组织中粗大的m 9 2 s i 树枝 i t c 哈尔滨丁程大学硕十学佗论文 晶明显减少，并未发现明显的二次分枝；随着s b 加入量的继续增加，m 9 2 s i 枝晶越来越少，m 9 2 s i 颗粒越来越多。当s b 的加入量为0 8 时，凝固组织 中m 9 2 s i 几乎完全转变成较细小的颗粒状，且在基体中分布较均匀，形成了 较典型的颗粒增强金属基复合材料的组织。研究者认为可能是由于合金中s b 元素的加入降低了合金的熔点及m 9 2 s i 与熔体的界面张力，导致了合金熔体 中m 9 2 s i 临界晶核半径的减小，从而有利于更多更小的m 9 2 s i 相的形成。 3 、n a 盐变质m 9 2 s i 相 z h a n ge ta 1 1 2 4 采用普通重力铸造和混合n a 盐变质细化处理技术制备了 内生m 9 2 s i a 1 复合材料。其中，混合n a 盐的成分比为n a c i ：n a f ：k c i = 1 5 ： 3 5 5 0 ( w t ) 。混合n a 盐加入比例为熔体1 0 w t ，在1 0 7 3 k 加到熔体中。 研究发现，混合n a 盐变质处理之后初生m 9 2 s i 相从7 5 1 x m 减小到2 0 1 m a ；同 时，初生m 9 2 s i 相的形貌由不规则形状变为规则的多面体块状。实验结果表 明，n a 盐的加入能抑制m 9 2 s i 颗粒在凝固过程中的各向异性生长。但遗憾的 是，混合n a 盐在熔融合金以及凝固过程中的实际行为还不清楚，仍需要进 一步的研究。 4 、s r 变质初生m 9 2 s i 相 n a 盐变质具有见效快、效果好等优点，而缺点是变质有效时间短，仅为 3 0 - 6 0 r a i n ，而且重熔即发生失效，不适于大批量连续生产。于是长效变质剂 近期内被广泛地研究，其中效果较好、应用较广的是s r 变质剂。 赵宇光等人【4 2 】研究了s r 对原位m 9 2 s v a l 复合材料显微组织的影响。结 果显示，s r 加入后能改够变材料中初生m 9 2 s i 的树枝晶形貌，并且随着s r 含量的增加，其形貌逐渐由多边形状变为块状。 福州大学陈晓等人【2 5 】研究了s r 对原位自生m 9 2 s v z m 5 复合材料组织与 性能的影响，实验表明s r 有显著细化m 9 2 s i 晶粒的作用，也就是说，s r 能 够变质高硅镁合金，同时也有利于提高室温抗拉强度和延伸率。然而，关于 s r 对m 9 2 s i 的形核、生长等的影响规律以及变质机理文中并未作详细探讨。 5 、稀土变质初生m 9 2 s i 相 4 ，| 一 ， 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 h y w a n g 等人f 2 6 】采用了稀土y ( 0 1 、0 4 、0 8 、1 2 ) 作为变质 剂来变质m g - 5 s i 合金。结果显示在变质剂为0 8 时，初生m 9 2 s i 的尺寸减小 到了5 0 - 2 5 1 x m 。研究者认为，稀土y 变质机制主要是吸附和毒化理论，经过 变质后的初生m 9 2 s i 的择优生长明显受到了抑制。然而，令人感到惊奇的是 m 9 2 s i 的枝晶生长形态没有发生变化；共晶m 9 2 s i 却由纤维状变为粒状和短 棒状。变质剂含量在小于0 8 时处于亚变质状态，而在o 8 时为完全变质， 大于0 8 时是过变质，而对于过变质的机制还有待于进一步研究。 1 2 2 共晶m 9 2 s i 相变质 本文设计的合金中s i 含量在1 w t 左右，所以考察的就是对共晶m g a s i 相的变质。目前的研究表明，共晶m 9 2 s i 相的变质剂主要包括c a 、s b 、p 、 a l p 、s n 和r e 等。 l 、c a 变质共晶m 9 2 s i 相 韩国k i me ta 1 【2 7 】采用0 2 w t c a 对挤压铸造m g 5 a 1 1 z n 0 7 s i 合金进行 了变质处理，汉字状共晶m 9 2 s i 相明显得到细化。研究结果表明，多面体状 m 9 2 s i 颗粒是以c a s i 2 为异质核心生长。c a 变质之后m g 5 a 1 1 z n - 0 7 s i 合金 的抗拉强度延伸率由1 9 4 m p a 、5 6 提高到2 1 3 m p a 和7 3 。对于a s 合金， 少量的c a ( 约o 5 ) 的加入能提高合金的耐蚀性，而c a 含量添加过量时，可 能由于含钙相得析出形成微电偶电池，故大量的c a 对a s 镁合金耐蚀性不利， 此外，添加c a 也会带来铸造热裂的问题【6 j 。 2 、s b 变质共晶m 9 2 s i 相 南昌大学的胡勇等人【2 8 1 研究- r s b 对m 9 2 s i 增强相及基体组织的细化效果 及机理。他们不完全赞同孙丰泉等人的研究，他们认为s b l l 入可生成m 9 3 s b 2 ， m 9 3 s b 2 能够作为m 9 2 s i 的异质核心，使得m 9 2 s i i 妇汉字状变成颗粒状，并弥散 地分布。同时，基体组织也得到细化，改善了合金的力学性能加入0 1 8 的 s b 后，合金的抗拉强度提高了1 2 1 2 。 袁广银等人【2 9 1 也认为m 9 3 s b 2 能够作为m 9 2 s i 的异质晶核。他们采用 一 。一 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 置i i 宣葺i i i i i i i i i 一葺一 i o 5 w t s b 对m g 5 a 1 1 z n - 1 s i 合金进行了变质。实验发现，s b 和m g 反应形 成了m 9 3 s b 2 相。计算表明，当m 9 3 s b 2 和m 9 2 s i 之间的晶体学取向关系为 ( 1 11 ) m 9 2 s i ( 0 0 0 1 ) m 9 3 s b 2 时，二者低指数晶面的晶格错配度( 6 ) 为5 1 ；根 据b r a m f i t t 3 0 1 提出的二维点阵错配度模型，当6 9 9 8 5 哈尔滨华龙威贸易有限公司 a l 9 9 5 0 哈尔滨华龙威贸易有限公司 s i 9 9 4 0 哈尔滨华龙威贸易有限公司 s n 9 9 5 0 哈尔滨华龙威贸易有限公司 2 2 合金的制备及熔炼 本实验需要制备m g x w t a 1 ( x = 3 ，6 ) 3 w t s n 1 w t s i 合金铸锭。 备料：合金的制备是在多功能有色合金熔炼炉( 图2 1 ，型号：s 0 2 5 1 2 ， 功率5 k w ) 中进行的。按照合金设计原则以及所设计的合金成分，并考虑熔 炼过程中原料的烧损( m g 、a i 1 5 w t ，s i 3 0 w t ，s n 3 0 w t ) ，进行配料。 按计算出的镁锭、铝锭、锡锭、硅粉质量配好原料后，装在试样袋中以备熔 炼时使用，其中硅粉用铝箔包裹，进行真空预热( 3 5 0 ) 处理。 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 1 多功能有色合金熔炼装置示意图 熔炼：合金的熔炼是在多功能有色合金熔炼炉( 图2 1 ，型号：s g 2 5 1 2 ， 功率5 k w ) 中进行的。首先将坩埚清理干净，放入热处理炉( 型号：s g 2 5 1 2 ， 功率5 k w ) 中进行预热( 约4 5 0 5 0 0 ) ，然后放入镁锭和铝锭，加热至7 6 0 以上，并采用i u - 2 覆盖剂进行保护。镁铝完全熔化后，加入硅粉。加入硅 粉后保温3 0 m i n 左右以使s i 充分溶入到基体合金中去，然后进行搅拌( 约 1 0 分钟) ，在搅拌的过程中加入经预热的s n 块。待s n 全部溶解后，搅拌2 5 w i n ，静置2 0m i n 后将合金液出炉，用热电偶进行测温并用c 0 2 s f 6 混合气 体进行气体保护，待温度降至7 2 0 c 时进行浇注，模具预热温度为2 5 0 。 2 3 研究不同工艺方法对合金的影响 2 3 1 合金的热处理 本实验需对a t s 3 3 1 及a t s 6 3 1 两种合金的铸锭进行固溶处理( t 4 ) 和 固溶加人工时效处理( t 6 ) ，从而对比铸态和经过热处理之后，合金微观组 织及合金室温、高温的拉伸性能的差异。同时，可以了解热处理方法对 1 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 m g - a 1 - s i s n 合金中粗大m 9 2 s i 相的影响规律。实验固溶处理温度选择4 2 0 ，保温时间为2 4 h ，水淬：固溶后人工时效温度为1 8 0 ，保温时间为1 6 h ， 空冷。热处理设备采用m q 5 0 0 合金熔铸一体炉( 如图2 2 ) ，并通入c 0 2 气 体进行保护，防止材料在高温条件下氧化。 图2 2m q 5 0 0 镁合金熔铸一体炉 2 3 2 合金的半固态等温热处理 半固态等温热处理同样采用m q 5 0 0 镁合金熔铸一体炉，并通入c 0 2 s f 6 混合气体进行气体保护。当加热到预定温度和预定时间后，取出试样立即水 淬。在了解半固态等温热处理方法对m g a i s i s n 合金中粗大m 9 2 s i 相的影 响规律的同时，也研究了不同热处理温度和时间对合金中粗大的汉字状 m 9 2 s i 相的形貌和分布的影响规律及作用机制。 一 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 2 4 实验研究的技术路线 图2 3 实验研究的路线 1 9 哈尔溟t 稃大学硕十学佗论文 2 5样品表征 本实验的样品表征需要用到以下几种设备： 1 ) 光谱分析：合金试样的化学成分分析在a r l 4 4 6 0 直读光谱仪( 瑞士) 上进行。 2 ) x 射线衍射分析：x 射线衍射分析( x r a yd i f f r a c t i o n ，x r d ) 在荷兰帕纳 科公司生产的x 射线衍射仪( x p e r tp r o ，h o l a n d ) 上进行。选用c u 靶 k 射线。射线管工作电压和电流分别为5 0 k v 和2 5 0 m a 。扫描速度为4 d e g m i n ，0 2 0 扫描的角步长为0 0 2 0 ( 2 e ) 。 3 ) d s c 分析：差示扫描量热分析( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r ，d s c ) 是 在美国差示扫描量热仪上进行，加热速率为5 c m i n ，加热温度区间为 8 0 7 0 0 ，并通入氩气进行保护，气流量为1 0 m l m i n 。 4 ) 光镜分析：光镜( m i c r o s o p e ) 分析，是在“a x i o v e r t ”2 0 0m a t 倒置万能 材料显微镜上进行，主要是对组织进行小放大倍数的( 1 0 0 0 倍) 显微 分析。镁合金试样先进行预磨和抛光，而后用3 v 0 1 h n 0 3 酒精腐蚀 1 0 1 5 s ，再放在酒精中进行超声波清洗，最后进行微观组织的观察。 5 ) 扫描电镜和能谱分析：扫描电镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 和 能谱( e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r u m ，e d s ) 分析分别在日本电镜j s m 一6 4 8 0 a 和能谱e x 5 4 1 6 5 j m u 上进行。扫描电镜所需样品的制备和光镜试样的 制备相同。 6 ) 晶粒尺寸与液相量分析：采用i m a g e p r o 软件对半固态金相组织中颗粒 尺寸和液相率的特征参数进行测试分析，在对颗粒尺寸进行统计时每个 试样选取5 0 个视场。 7 ) 拉伸性能测试：拉伸试验是测试材料力学性能的一个有效技术途径。根 据应力一应变曲线可以判断合金材料的抗拉强度( a b ) 、屈服强度( o o 2 ) 及 延伸率( 6 ) 的高低。拉伸试样直接从铸锭上切取，按图2 4 的尺寸进行加 工，采用线切割方法制备。线切割后试样表面的标距部分的切割经仔细 哈尔溟工程大学硕士学佗论文 磨光，以免在拉伸过程中成为应力集中源。室温及高温( 1 5 0 ，2 0 0 ) 短时拉伸性能在美国i n s t r o n3 3 6 5 电子万能材料试验机上进行。室温与高 温拉伸时横梁移动速度为o 5 m m m i n 。每组数据测试三个试样。高温短 时拉伸试验的温度控制是通过材料试验机上的附加加热及温度控制设备 进行，加热到试验温度后，保温5 m i n ，使得试样的温度均匀，再进行拉 伸试验。 j j r 7 2 5 7 ， 、 。弋叫p 、，。 翻 固 ，厂 一7 、 一 v 2 6 本章小结 图2 4 拉伸试样示意图 本章首先介绍了铸态，热处理态以及半固态a t s 3 3 l 、a t s 6 3 1 合金的制 备方法，并设计了详细的研究技术路线及实验方案，最后介绍了利用光学显微 镜( 0 m ) 、x 射线衍射仪( x i m ) 、差示扫描量热仪( d s c ) 等仪器对样品 进行表征及性能测试的方法。 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章m g a l s n s i 合金铸态组织及性能 3 1 m g 。a i s n s i 合金铸态组织 图3 1 为铸态a t s 3 3 1 ( m g 3 a 1 - 3 s n - l s i ) 和a t s 6 3 1 ( m g - 6 a i 一3 s n - 1 s i ) 的x 射线衍射( x r d ) 图。从图中可以看出，合金是由m g 、m g l 7 a l l 2 、m 9 2 s i 和m 9 2 s n 四相组成。 ( b ) a t s 6 3 1 图3 1铸态a t s 3 3 1 和a t s 6 3 1 合金的x 射线衍射( x r d ) 图谱 为了便于分析铸态组织，实验设计制备了m g 1 s i 和t s 3 1 ( m g - 3 s n - 1 s i ) 两种参比合金。图3 2 为m g 1 s i 、t s 3 1 、a t s 3 3 1 和a t s 6 3 1 合金在光学显微 镜下的组织。图( a ) 可知，粗大的白色枝状晶为仅m g 相，晶间黑色相为m 9 2 s i 。 图( b ) 为加入s n 元素后的t s 3 1 合金，由图可知由于s n 的加入合金的粗大枝 状晶相得到了明显的细化