镁合金快速凝固技术的研究现状及进展_图文

1、Sep2007 VoI.56NO.9铸适FOUNDRY909镁合金快速凝固技术的研究现状及进展肖冬飞,谭敦强1,欧阳高勋1,陈伟:(1南昌大学材料科学与工程学院,江西南昌330031;2.中国兵器科学院宁波分院,浙江宁波315103摘要:一NINON技术是改善镁台金组织结构、提高镁合金各项性能的重要技术。本文综述了快速凝固镁合盎的制备方法,描述了镁合盘各种快速凝固特征,旨在为今后高性能镁合金的研究提供方向和途径=关键词:镁合金;快速凝固;单辊法;喷射成形中图分类号:TGl46.T2文献标识码:A文章编号:lOOt一4977(200709090905Current Status and Deve

2、lopment of Rapidly SolidifiedMagnesium AlloysX限O Dong.feil。TAN Dun.qian91.OUYANG Gao-xunl,CHEN Wei2(1.School of Materials Science and Engineering,Nanchang University,Nanchang330031,Jiangxi,China;2.Ningbo Branch of China Ordnance Science,Ningbo315103,Zhejiang,ChinajAbstmct:Rapid solidification techno

3、logy can improve organization and properties of magnesium alloys.In this paper,jt was jntroduced that the rapid solidification technology to prepare the magnesium alloys and describes the characteristics of rapidly solidified magnesium alloys for the purpose of providing the direction and the way fo

4、r the research of high performance magnesium alloys.Key words:magnesium alloy;rapid solidification;single roller;spray forming作为工程应用中最轻的金属结构材料,镁合金具有比刚度及比强度高、电磁屏蔽性能强、尺寸稳定、资源丰富等一系列优点,在汽车、电子、航空、航天等领域具有越来越广阔的应用前景。但镁合金自身的一些缺点,如变形能力差、抗腐蚀性能和耐高温性能不高以及传统制备技术不足等成为其发展应用的瓶颈。采用快速凝固技术可以克服镁合金的一些缺点,实现镁合金综合性能的改善。近年来

5、世界各国投入大量人力物力开展快速凝固镁合金的研究,并取得了大量成果。作者描述了镁合金的各种快速凝固特征,同时综述了近年来国内外镁合金快速凝固制备方法的研究现状和最新进展。旨在为今后高性能镁合金的研究提供参考。1镁合金快速凝固特征相对于传统铸锭冶金10-3102KS-I的冷却速度,快速凝固技术的冷却速度一般为103109K呵1。在快的冷却速度下,镁合金凝固过程中的各种传输现象被抑制,从而使合金元素在固态基体中能继续保持高的溶解度,晶粒组织的长大受到抑制,合金成分及组织变得均匀,同时在凝固过程中也易产生一些新相。快速凝固镁台金组织结构上的改变也导致了镁合金力学性能和抗腐蚀性能的改善。1.1扩展a(

6、Mg基固溶体的固溶度快速凝固技术能明显扩展合金元素在基体镁中的固溶度【11,冷速越高,同溶度越大。原子半径与镁原子半径差在±15%范围内的合金元素在d(Mg基体中的固溶度都可通过快速凝固提高。经熔体快淬后,银在镁中的最大固溶度提高1.5倍,钡则提高约1000倍。快速凝固镁合金中的同溶度扩展比机械合金化高,例如在快速凝固Mg.A1系合金中,Al在Mg中的最大固溶度为9lat.%,而在机械合金化处理的合金中仅为4.5at.%q。合金元素在a(Mg基体中同溶度的增加,能使密排六方晶体结构的a(Mg的轴比c/a值明显减小,可以在常温下激活非基面滑移,从而提供更多的滑移系以提高镁合金的塑性变形

7、能力。1.2细化组织形成多相弥散体系快速凝固技术能有效细化镁合金的晶粒组织,减小枝晶网胞尺寸,在晶界或网胞上生成细小弥散的沉淀相,从而减小或消除合金成分偏析,抑制孪晶的形成。快速凝固镁合金的晶粒尺寸可减小到原始铸态尺寸的1/16,枝晶臂间距仅为58斗m。采用双辊快淬工艺可使基金项目:国家国防重点基础研究发展规划资助项目。收稿日期:2007_【M-28。作者简介:肖冬飞(1981一,男.湖南宣章人,硕士研究生,主要从事高性能镁合金研究。通讯联系人:谭敦强.E-mail:tdtmqiangsohu COfll910FOUNDRYSep.2007 VOI56No.9Mg-Li合金晶粒细化(若原来大小

8、为30,则细化后为1。Pechincy和Norsk Hydro公司对熔体旋铸法制备的AZ91合金显微组织研究表明,合金具有尺寸为03-4.5¨m的等轴d(M0晶粒,并含有尺寸为0.01-41岬的弥散相,其中小一些的弥散相粒子如M92si和A1.REy等分布在晶内,而较大的如Mg,A1.,等相则集中于晶界。在急冷快速凝固条件下,AZ9JD镁合金惯常发生的L-(Mg+ MgcTAIp_共.晶反应在很大程度上被抑制,形成了以过饱和的a(Mg为主相的快速凝固组织,合金组织由尺寸为0,8-6“m的a(Mg晶粒、弥散分布于晶内和晶界上的尺度在5nlll至70Din之间的Mg,TAIl2和AhMn

9、,颗粒以及弥散分布于晶内的非常细小的不规则形态B.AJMg相组成M。在快速凝固AZ91+2%Sr合金中,出现TM91砖112、MgaSr、AI,Sr弥散相;快速凝固AZ91+2%Ca合金中,晶粒尺寸只有0.6Ixm,弥散相由Mg。7A1.:和一种含c圾A1的金属间化合物亚稳相组成目。1.3形成新型合金相改变相结构采用快速凝固技术制备镁合金。可形成新的晶态相、准晶相和非晶。快速凝固形成的新型晶态相很多,典型的有Mg-Sn和Mg-Pb合金中形成新的岔c结构相。在快速凝固Mg.Si合金中会形成“反.PbCl:结构”的MgaSi相,在快速凝固Mg.ZnY台金中也发现了准晶相。1977年,Calka等用

10、快淬法首次制得Mg-Zn非晶,经多年研究发现多种元素与镁基体结合可形成非晶,包括二元的Mg.Zn、Mg.Cu、Mg-Ln等以及三元的Mg-Ln(镧系元素一TM(过渡金属目、Mg,Cu.Y、Mg-Y-Ni等,目前的研究重点在三元和三元基础上发展起来的多元镁基非晶材料。主要的快速凝固镁基非晶合金系见表1m。研究”发现,快速凝固Mg-Ca-Zn合金中存在与M96Ca2zn,结构接近的三元相,其面问距随台金成分和热处理温度变化,该三元相的晶格参数与成分有关,Ca含量增加将导致晶格扩张,而Zn含量增加导致晶格收缩。1.4提高力学性能和抗腐蚀性能快速凝固镁合金组织结构上的改变,导致了力学性能和抗腐蚀性能的

11、极大改善。与常规铸锭冶金镁合金及现有的铝合金相比,快速凝固镁合金的室温比抗拉强度提高40%60%。比拉伸屈服强度提高52%98%,比压缩屈服强度提高45%-230%;压缩屈服强度/拉伸屈服强度之比由0.7增加到1.1;伸长率达5%15%,经热处理后可达22%。表2唧为模冷法制备的tag-A1.Zn.RE (RE=Y,Pr合金与两种常规镁合金的力学性能比较。表1主要快速凝固镁基非晶台金系Table1Main rapidly solidified magnesium-based amorphous alloy system注;Ln为镧系金属,M为过渡族金属(Hi,Cu和助。表2快速凝I萤Mg-AI

12、-Zn-RE(RE=Y,PrI合金和两神常规镁台金力学性能比较Table2Compadson of Mechanical property between conventionally casting alloys aud rapidly solidifiedMgAIzn一髓(RE=Y,Prj alloys快速凝固技术可使AZgl合金的拉伸屈服强度由226MPa增至457MPa,极限抗拉强度由313MPa增至517vlPa,伸长率为8。7%一20。1%。在快速凝固AZ91合金中加入1.5%Si,则合金的极限抗拉强度达540MPa,拉伸屈服强度达470MPa,伸长率为5%。Sugamata等对快

13、速凝NMg-Y基合金机械性能的研究发现,快速凝同镁合金热挤压后具有较高的高温强度,Mg一10ma.% Y.2ma.%Zn在室温下的拉伸强度为520MPa,在473K 时的拉伸强度为440MPa。Koike等【I-1对快速凝固Mg-Zn 合金在423K时效后的力学性能作了研究,结果表明Mg一2at.%Zn、Mg-4at.%Zn和Mg-8at.%z力合金的拉伸屈服强度分别达到261MPa、453MPa和542MPa。Kawamura铸造肖冬飞等:镁合金快速凝固技术的研究现状厦进展等12-14研究发Mg,oAlCam MgssAlloCa5、MgZnlY2、Mgg。Zn,Y,等台金具有高的室温及高温

14、强度、疑好的延展性及超塑性,其qlMg-ioAl20Ca。D厶金-经673K挤压成形后屈服强度、伸长率、弹性模量分别为600MPa、1.o%、50GPa;Mg"Zn,Y2的屈服强度和伸长率分别为610MYa和16%,弹性模量为45GPa,比屈服强度是AZ91.T6合金的4倍。有关快速凝固Mg-(Ag,Sc(x 为Al、ca、zn、Y、Mn、Sn和si合金的研究表明, Mg,Sc总和M蜘鼬B合金延展性和硬度匹配较好,可与M997ZnlY勰美,抗拉强度达到610IvlPa且伸长率超过50%t“。冯辉等研究了不同冷却介质下快速凝固AZ91合金的压缩性能,采用水、饱和食盐溶液、液氮作为冷却介

15、质的快速凝固AZ91合金的压缩屈服强度和压缩断裂强度均高于铸态,其中水介质条件下的压缩强度最大。文献17】指出快速凝固Mg-A1合金的抗拉强度、硬度和抗腐蚀性能均优于常规合金,并随着Al含量的增加而增加。快速凝固提高镁合金的抗腐蚀性能,主要是由于两方面的作用,其一是合金化元素在基体中过饱和而增大基体的腐蚀电位,其二是氧化膜中合金化元素的适当增加而提高氧化膜的稳定性。快速凝固AZ91合金的腐蚀速率为0.8mma-。,含2%Ca的快速凝固AZ91E.T6合金的腐蚀速率仅为02rama-I51。热处理对熔体旋铸Mg-18at.%Ni和Mg.21at%cu非晶薄带腐蚀性的影响表明,非晶合金的自腐蚀电位

16、比纯镁的高,但是自腐蚀电流密度较大,而部分晶化合金的钝化电流密度比非晶态低,说明腐蚀性有所提高,完全晶化后的合金抗腐蚀性明显下降嗍。熔体旋铸Mg.Zn.La和MS.Zn.Yb合金带在1%NaCl溶液中都表现出很好的抗腐蚀眭,经热处理后,前者的抗腐蚀性能恶化,而后者仍具有低腐蚀速翠8。2镁合金快速凝固技术自从1950年快速凝固技术被用于镁及其合金以来,镁合金快速凝固技术迅猛发展,出现了许多镁合金快速凝固方法,大致可分三种:雾化法;连续急冷模冷铸造技术(包括单辊法、双辊法等;在已有的镁合金材料表面进行的原位快凝技术,如激光表面熔融技术。采用这些技术可以制备出粉末、箔片、薄带、纤维和薄膜状产品。2.

17、1雾化法早在20世纪50年代初,人们便开始采用气体雾化法生产镁合金粉末(雾化装置见图1a。雾化粉末经粉末冶金工艺、挤压等加工成形方法和后续热处理等可制备良好性能的棒、板、管等型材和异型结构材料。但由于气体雾化法所用雾化气体易混入氧等反应性气体,与镁熔体发生反应,导致粉末变形,且含有大量高度可燃性和黏性的细粉,气体回收时需通过过滤、净化流程,不便大规模生产且不安全。2.2单辊法单辊法又可称为熔体旋铸法(装置见图1b。单辊法在一定程度上解决了气体雾化时易产生高度可燃且黏附的粉末及粉末冷速较低的阔题。因单辊法装置筒单而被广泛用于快速凝固镁合金的试验和生产中。采用单辊法可生产出具有均匀细小显微组织的产

18、品。如Mg-Zn.Y合金经单辊快速凝固后+组织明显细化,偏析减少鳓。刘静远等刚对单辊快速凝NMggv.46ZnosoY和M酝,Zn。匕。,合金凝固组织特征的研究表明,急冷快速凝固条件下,2种合金均形成非晶相+超细Mg。2Yzn 相+超细hcpMg(Zn,Y相,显微硬度大幅度提高;快速凝固Mg"mznoiYl74A金薄带中的hcp-Mg(Zn,Y相晶胞在a1、a2、a3轴方向膨胀、在c轴方向收缩;快速凝固M肺5,znn83Y:。合金薄带中的hep-Mg(Zn,Y相晶胞在各轴向均有膨胀;M甄;。Zno.。Yz“合金薄带的熔点及热稳定性高于Mg”扫h蜘_Y。H合金薄带。单辊法也是制备非晶镁

19、合金带材的主要方法,如用单辊法可制备tBMg-Zn、Mg.Cu'ilMg-Ni-Nd黼合金”。赵红亮等嘲用单辊旋铸法制备出Mg.3%A1-1.2% Zn.02%Mn合金厚条带,研究了不同的辊转速对合金显微组织的影响,指出单辊旋铸条带(300rpm和500 rpm的冷却速度在104K-s-t和105Ks。之间,厚条带的晶粒比铸态组织晶粒细小;500舢的镁合金条带的断面组织晶粒沿横截面分布比较均匀,基本为等轴晶区;300rpm条带的自由面出现郡分柱状晶,而贴辊面及贴辊面和自由面之间的过度区都为等轴晶。单辊法快速凝固Mg.Ca.Zn合金中,Zn的固溶度达到l,25at.%,合金中,近辊侧为细

20、小晶粒,在晶粒界面上无沉淀相,自由侧为球状沉淀。2.3双辊法双辊法(装置见图1c是与热轧相结合的近终成形技术,是一种比单辊法更直观的从熔融台金液直接铸造薄带材料的技术,主要优点是双面冷却,可获得两面的表面质量相同且均匀的带材。同雾化、喷射成形相比,双辊法工艺路线短,制得的镁带不需破碎就可后续加工,这样不仅大大降低危险性,也提高生产效率。采用双辊法可将AZ31合金液直接甩成厚度为14 mm,边部整齐、表面质量较好的镁合金薄带;与铸态AZ31合金的显微组织相比,双辊快淬制备的镁合金薄带的显微组织晶粒细小,提高双辊转速将提高冷却速度,使晶粒细化,薄带厚度减小,微观硬度提高27-30。刘天喜等用双辊法

21、制备了AZ91合金薄带,其微观组织细小,平均显微硬度明显高于铸态。2.4喷射成形技术1968年英国的Singer提出了种新型的快速凝固工艺即喷射成形或喷射沉积技术(装置见图ld,该技术的基本原理是:将熔融金属或合金在惰性气体(或其FoUNDRYSep2007 V01.56No.9混合气体中雾化,形成颗粒喷射流,直接喷射到较冷的基体上,经过撞击、聚结、凝固而形成沉积物,这种沉积物可以立即进行锻造、挤压和轧制加工,也可以是近终形产品。喷射成形技术是一种介于铸锭冶金和粉末冶金之间的工艺,其同时兼顾了两者的优点,叉克服了两者的缺点。喷射成形技术的生产工艺简单、生产效率高且镁合金的冷却速度高,能使镁合金

22、的晶粒显著细化均匀,消除宏观偏析,因而是制备高性能镁合金的有效方法。与普通铸造镁合金相比,喷射成形镁合金的力学性能有较大提高,断裂韧性有较大改善。Lavemia等口4最早研究了镁合金喷射成形及其挤压技术,具有不同Mn、ca及稀土元素含量的喷射成形MgA1-Zn合金的高温强度和延展性有极大改善,比传统镁合金高。Faure等o”报道,喷射成形Mg-TAI-45Ca.15Zn-I.ORE和Mg一8.5A1. 2Ca.0.6Zn.0.2Mn合金的断裂韧性岛分别为30MPam”及35MPam”,抗拉强度和屈服强度分别为480MPa、435MPa和365MPa、305IllPa,伸长率分别为5%和9.5%

23、;两合金的断裂韧度和107旋转弯曲疲劳强度均优于铸锭冶金生产的AZ80及由熔体旋铸法生产的RSAZ9l+2Ca。有关喷射成形Mg-AI.Zn.Nd稀土镁合金性能研究结果表明,喷射成形工艺能明显改善镁合金的性能,与常规铸锭冶金镁合金相比,喷射成形稀土镁合金晶粒细小,组织均匀,抗拉强度提高了16.戳,屈服强度提高了27.8%,伸长率增加了8.3%。Chen等阁用喷射成形法制备了AZ91-3.34wt%Si合金,该合金中Mg,以l。2和Mg:Si颗粒分布均匀且平均粒度只有2I.tm,该合金具有良好的加丁性能和力学性能。情件气件l(a快速凝周雾化装置(b】单辊法(c双辊法(d喷射成形技术图1镁合金快速

24、凝同装置原理示意图Fig1SeRingdrawingfor rapid solidification ofmagnesium alloys2.5激光表面熔融技术该技术是20世纪80年代才发展起来的镁合金快速凝固技术,主要采用激光等大能量输入技术使镁合金表面层迅速融化,然后又由于金属基底的传热使其迅速凝固,获得表面层很薄的一屋陕速凝固组织,该层可以对镁合金起到表面改性作用,对改善镁合金抗腐蚀性和抗磨损性作用显著。用激光表面熔融技术可细化MA21合金表面显微组织,进而提高MA21合金的固溶度和抗腐蚀性。Dutta Maiumdar等闲对激光表面熔融处理的MEZ (Mg.0.5Zn.0.IMn.0.

25、IZr-2RE合金的组织和性能进行研究表明,表面熔融区的微观组织为细柱状晶粒,晶粒细化,金属间化合物相分解,合金元素的固溶度增加,熔融区的显微硬度比基体高23倍,抗点蚀性和抗磨损性显著提高。与传统工艺比,激光表面熔融技术操作灵活、原材料及能源消耗少、精确度高、不改变熔融表面的化学性能,因而有良好发展前景。3结束语快速凝固镁合金研究刚刚起步,要使快速凝固镁合金获得广泛应用和发展还有很多工艺问题及相关机理需深人研究,包括如何实现镁合金快速凝固过程中的有效阻燃,如何设计镁合金体系和选择最优的快速凝固工艺及工艺参数以获高性能镁合金,如何解决镁合金及其复合材料沉积坯的致密化和成形问题,如何改进大尺寸镁合

26、金及其复合材料管、板、实心圆锭坯的喷射成形技术和如何减少喷射成形技术的过喷现象,如何在快速凝固镁合金的后续加工过程中继续保持镁合金的快速凝固组织、结构特征,如何建立和完善快速凝圊镁合金的理论模型等等。随各种快速凝固技术问题不断解决,快速凝固必将成为未来制备高性能变形镁合金的主要技术方法。参考文献:【1JONES H Rapid solidification ofmetals and alloysC/The Institute ofMetalu曾sts Monograph London,198222CLARK C K,SURYANARYANA C,FROES F F1.Solid solubil

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45、bove 600MPa 2001(07 15.INOUE A.KAWAMURA Y.NISHIDA M Rapidly solidified Mg-(Ag,Sc-X alloys with high strength 2003 16.冯辉.杨林.邱克强 快速凝固AZ91镁合金的组织与压缩性能期刊论文-铸造 2006(05 17.CHO S S.CHUN B S.WON S D Structure and properties of rapidly solidified Mg-A1 alloys 1999 18.ONG M S.LI Y.BLACKWOOD D J The influence o

46、f heat treatment on the corrosion behaviour of amorphous smelt-spun binary Mg-18 at.% Ni and Mg-21 at.% Cu alloy 2001 19.YAMASAKI M.HAYASHI N.IZUMI S Corrosion behavior of rapidly solidified Mg-Zn-rare earth element alloys in NaCl solution 2007(01 20.王鹏程.徐春杰.杨林 快速凝固与普通凝固Mg-Zn-Y镁合金的耐腐蚀性能期刊论文-铸造技术 200

47、6(06 21.刘静远.张振忠.马立群 快速凝固Mg-Zn-Y合金薄带的制备及凝固组织特征期刊论文-铸造技术 2006(03 22.HUANG L J.LIANG G Y.SUN Z B Electrode properties of melt-spun Mg-Ni-Nd amorphous alloys 2006 23.INOUE A.MASUMOTO T Mg-based amorphous alloys 1993(1-2 24.赵红亮.郑飞燕.关绍康 厚条带Mg-AI-Zn基合金的显微组织研究期刊论文-材料科学与工程 2005(04 25.TATIANA V.LARIONVA.PARK

48、W A ternary phase observed in rapidly solidified Mg-Ca-Zn alloys 2001 26.JARDIM P M.SOLORZANO G.VANDER SANDE J B Second phase formation in melt-spun Mg-Ca-Zn alloys 2004 27.JU D Y.HU X D Effect of casting parameters and deformation on microstructure evolution of twinroll casting magnesium alloy AZ31

49、期刊论文-Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2006 28.粟剑波.傅定发.陈振华 快速凝固制备Mg-Al-Zn合金薄带期刊论文-轻合金加工技术 2005(06 29.陈绪宏.丁培道.杨春楣 双辊快速凝固AZ31镁合金薄带试验研究期刊论文-轻合金加工技术 2005(05 30.刘天喜.傅定发.许芳艳 退火工艺对快速凝固镁合金薄带组织性能的影响期刊论文-热加工工艺 2005(10 31.刘天喜.傅定发.夏伟军 双辊快淬制备镁合金薄带碎片的工艺研究期刊论文-铸造 2005(04 32.LAVERNIA V.JARRY P.REGA

50、ZZONI G Processing-microstructure relationships in compocast magnesium/SiC 1992(16 33.FAURE J F.NUSSBAUM G.REGAZZONI G Process for obtaining magnesium alloys by spray deposition 1991 34.胡丽萍.甄立玲.王智慧 喷射沉积稀土合金材料研究期刊论文-金属成形工艺 2000(02 35.CHEN C Y.TSAO C Y A Spray forming of silicon added AZ91 magnesium a

51、lloy and its workability 2004 36.DUTTA MAJUMDAR J.GALUN R.MORDIKE B L Effect of laser surface melting on corrosion and wear resistance of acommercial magnesium alloy 2003 相似文献(10条 1.期刊论文 余琨.黎文献.王日初.冯艳.吴志文.YU Kun.LI Wen-xian.WANG Ri-chu.FENG Yan.WU Zhi-wen 快速凝 固镁合金开发原理及研究进展 -中国有色金属学报2007,17(7 介绍快速凝固镁

52、合金材料研究与开发的物理冶金原理及发展历程.在开发原理中着重介绍快速凝固镁合金的镁基固溶体扩展、新型弥散合金相的形成 、晶粒及显微组织细化以及合金钝化等基础理论.在这些研发理论基础上,进一步阐述镁合金雾化快凝、模冷淬火和表面重熔这3种典型的快速凝固制备技 术,举例说明了这3种快速凝固技术制备的多种镁合金的各项性能及显微组织特征.综合评价快速凝固技术制备镁合金材料的优势,说明快速凝固技术是开 发新型镁合金材料,扩展镁合金在工程材料中应用的重要且具有发展前途的制备技术. 2.期刊论文 陈振华.周涛.陈鼎.CHEN Zhenhua.ZHOU Tao.CHEN Ding 快速凝固高性能镁合金研究进展长

53、周期堆 垛有序结构镁合金 -材料导报2007,21(11 综述了快速凝固新型固结成形工艺及快速凝固高性能镁合金的研究进展;重点阐述了新型长周期堆垛有序结构镁合金的力学性能、微观组织、形成机 理及强化机制;最后指出了快速凝固镁合金的发展方向. 3.学位论文 滕海涛 亚快速凝固条件下镁合金的凝固行为及其应用研究 2009 镁合金作为最轻的商用金属结构材料，具有高的比强度、比刚度，优良的阻尼性能和电磁屏蔽性能，良好的铸造性能及丰富的资源优势等特点，在 汽车、通讯、电子及航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。传统铸造工艺得到的镁合金产品的显微组织及析出相比较粗大且分布不均 衡，致使其强度、

54、塑性变形性能、热稳定性能、抗氧化性能及耐腐蚀性能不够理想，难以满足高性能结构材料的需求，因而镁的现有使用情况远没有充 分发挥镁合金材料的潜在优势。亚快速凝固具有较高的凝固冷却速率，能够显著细化晶粒和第二相，增加组织和成分的均匀性，扩展合金元素的固溶度 和形成新的亚稳相等，从而可大幅度提高镁合金的力学性能、加工性能和耐蚀性能。因此，通过亚快速凝固使镁合金获得不同于常规凝固方式的组织结 构，是提高镁合金性能，扩展其应用前景的有效途径。 本文利用自行开发设计的几种不同的工艺装置实现了镁合金的亚快速凝固，研究了不同工艺及冷却速率下镁合金的凝固组织特征及形成机理，分析了显 微组织与铸件力学性能、耐腐蚀性

55、能的关系，探讨了不同凝固条件下镁合金铸件的强化机制和腐蚀行为。主要研究内容和结果如下： 设计了真空吸铸急冷模法制备镁合金小尺寸薄片铸件工艺装置，实现了镁合金的亚快速凝固。研究了亚快速凝固条件下镁合金凝固组织的特点，并与常 规凝固镁合金铸件的显微组织进行了比较分析。结果表明：常规凝固条件下，镁合金的凝固组织晶粒粗大且不均匀；主要由初生-Mg及晶间大量分布的 -Mg17A112(包括离异共晶组织相及二次析出相两相组成；溶质元素Al、Zn在凝固过程中富集、偏析于晶界处形成金属间化合物-Mgl7Al12相 ，而只有少量的合金元素固溶于晶粒(初生-Mg相内，元素的微观偏析严重。亚快速凝固镁合金薄片铸件等

56、轴晶区的晶粒明显细化，晶粒度达到几个微 米，且随着冷却速率的增加，晶粒度不断减小；较高的冷却速率抑制了溶质元素的扩散，形成了以过饱和a-Mg相为主的凝固组织，晶界处析出的Mg17Al12相极少或者消失，增加了铸件成分及组织的均匀性；溶质元素大量固溶于基体Mg中，Al原子以置换的形式取代晶体结构中的Mg原子，导致了晶 体Mg的晶格常数减小，其XRD衍射峰向右偏移。 测量了亚快速凝固铸件显微组织中二次枝晶臂间距，从数量级上估算了亚快速凝固的冷却速率，结果表明，本实验镁合金薄片铸件的冷却速率达到了 102104 K·s-1，其凝固过程属于亚快速凝固范畴。探讨了镁合金不同凝固过程中的溶质分配

57、原理、组织演化及形成机理，分析表明：亚快速凝固条件 下，极快的冷却速率使得熔体凝固过程中固/液界面推移的速率很快、局部凝固时间很短，合金元素来不及完全扩散就已经被高速移动的界面“淹没”而 凝固，使其很大程度上固溶于基体-Mg中。较快的冷却速率下，形核在以晶核为中心沿六个方向生长过程中，绝大部分还没有来得及长大，就彼此交集 生成细小的等轴晶粒；另一部分晶核不能完全发育长大或者由于受到其它形核生长的阻挡，生长成近似花瓣状(花瓣实质为一次枝晶组织结构，而只有 少部分形核最终能够长大成具有细小的二次枝晶臂的枝晶结构组织。 通过对AZ61A镁合金不同铸件的力学拉伸性能和腐蚀性能的测试，研究了亚快速凝固组

58、织对镁合金性能的影响，探讨了亚快速凝固镁合金的强化机制和 腐蚀行为。结果表明：与常规凝固镁合金铸件相比，亚快速凝固镁合金的拉伸性能及耐腐蚀性能都有了不同程度的提高；亚快速凝固铸件强度及塑性的 提高是细晶强化、固溶强化和位错强化综合作用的结果，而耐蚀性的改善则主要归因于细小而均匀分布的晶粒组织，抑制了晶界处不连续分布的相的 析出，以及大量的溶质元素A1固溶于-Mg基体中。 设计了真空吸铸.阻尼冷却管法实验装置，实现了AZ91D镁合金半固态浆料的制备与铸件流变成形的一体化，得到了AZ91D镁合金半固态浆液的亚快速凝 固组织，观察显示：镁合金半固态浆液具有触变性及更高的黏度，以平稳、层流的充型方式完成充型，能够有效改善成形件的质量。其凝固过程可分为 两部分：“第一次凝固”一近液相线温度的金属液流经阻尼冷却通道时的凝固，产生了大量初生-Mg固相颗粒及晶核并裹入存活于熔体而形成了半固态 浆料；“第二次凝固”一半固态浆液高速射入模具型腔后，在紫铜模具的激冷作用下，残留液相亚快速凝固生成细小的二次-Mg晶粒和-Mg17Al12相 ，初生-Mg固相颗粒弥散分布在由非常细小的二次-Mg相及相构成基体组织中，初