AZ91D-Y半固态坯不同制备方法及对触变模锻影响研究

摘要

基于国家节能减排的政策引导和金属矿产资源供给日益恶化的形势，镁合金以其密度轻和资源丰富越来越受到重视。加速镁合金成形技术的研究是实现可持续发展的重要措施之一。目前镁合金的成形技术，以压铸为主，兼有液态模锻和锻造成形，但这三种工艺本身，均有其不足。例如，采用锻造成形尽管能满足零件较高力学性能的要求，但很难满足其形状复杂的需求。半固态触变模锻技术是一种近净成形复杂形状零件的技术。半固态坯料组织最显著的特征是固相颗粒呈球状，成形后零件的复杂程度远高于锻件，其力学性能高于压铸件和液态模锻件。本文期望通过采用AZ91D-Y镁合金半固态触变模锻成形筒形件，分别对铸造法、近液相线模锻法和等通道角挤压法(Equal channel angular extrusion，ECAE)制备坯料在二次加热过程中的组织演变、球晶组织的生成及特征对触变模锻成形和成形件力学性能的影响展开深入的研究，探讨不同半固态制坯方法的适用范围和应用的可能性。
　　本文采用铸造法、近液相线模锻法和ECAE法制备了AZ91D-Y半固态坯。借助金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和万能拉伸试验机分别研究了不同方法制备坯料的微观组织和力学性能。研究表明，添加稀土Y细化了α(Mg)和β(Mg17Al12)，产生了杆状的Al2Y新相；在铸造制坯中，可获得粗大的等轴晶，柱状晶不明显；在近液相线模锻制坯中，可获得细小的枝晶组织，且随着模锻压力的增加，坯料的力学性能上升；在ECAE变形中，随着温度的升高，有利于获得等轴状晶粒，但不利于获得较高的屈服强度和抗拉强度，增加ECAE变形道次，有利于获得细小的等轴状再结晶组织。
　　分别将铸态、近液相线模锻态和ECAE态的坯料加热到半固态温度区间。采用金相显微镜研究了铸造法、近液相线模锻法和ECAE法制备半固态坯料在二次加热过程中的组织演变及特征。研究结果表明，铸造法坯料在二次加热过程中组织的演变规律是由发达的树枝晶演变为大块状组织，大块状组织逐渐分离成碎块状组织，随后固相颗粒球化并主要通过合并的方式长大；近液相线模锻法坯料组织的演变规律是由细小的树枝晶演变为块状组织，块状组织分离成碎块状组织，随后固相颗粒球化并主要通过Ostwald熟化机制长大；ECAE法坯料组织的演变规律是挤压态组织发生再结晶，形成再结晶块状组织，块状组织分离后，发生球化并主要通过Ostwald熟化机制长大。近液相线模锻法和ECAE法坯料的平均固相颗粒尺寸小于铸造法；三种制坯方法中，ECAE法制备坯料的组织演变进程最快，固相颗粒球化效果最好。
　　采用热模拟试验研究了铸造法、近液相线模锻法和ECAE法制备坯料的触变流动行为。研究结果表明，ECAE法制备坯料在较小的应力作用下，便可实现稳态充填，触变流动性能最好；近液相线模锻法坯料次之，铸造法坯料较差。借助万能拉伸试验机研究了触变模锻工艺参数和坯料制备方法对模锻制件力学性能的影响。研究结果表明，在半固态温度为560℃，模锻压力为200MPa的条件下，铸造法制备坯料在球化30min后触变模锻获得的力学性能最好，其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别是131MPa、280MPa和9.2％；近液相线模锻法制备的坯料在球化20min后触变模锻获得的力学性能最好，其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别是161MPa、302MPa和9.7％；ECAE法(一道次ECAE变形)制备的坯料在球化15min后触变模锻获得的力学性能最好，其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别是164MPa、307MPa和11.8％，四道次变形坯料触变模锻后的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为220MPa、333MPa和16.1%，大大高于一道次变形；在相同成形条件下，ECAE法制备坯料触变模锻后的力学性能最好，近液相线模锻法次之，铸造法较差。
　　上述比较研究结果表明，三种制坯方法均具有不同的优势，因而适用于不同的镁合金半固态模锻件对形状、尺寸和性能的要求。其中从制坯成本、制件复杂程度和触变成形件力学性能考虑，以近液相线模锻法具有综合优势，有希望成为高性能镁合金半固态模锻的主要制坯方法之一。

目录

AZ91D-Y半固态坯不同制备方法及对触变模锻影响研究

RESEARCH ON EFFECT OF AZ91D-Y SEMI-SOLID BILLETS PREPARING BY DIFFERENT METHODS ON THIXOFORGING

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 半固态金属流变成形

1.3 半固态金属触变成形

1.3.1 触变注射

1.3.2 触变压铸

1.3.3 触变锻造

1.3.4 镁合金触变成形零件力学性能分析

1.3.5 镁合金触变成形的适应性分析

1.4 镁合金半固态坯料的制备

1.4.1 半固态等温转变法

1.4.2 应变诱导熔化激活法

1.4.3 近液相线模锻法

1.4.4 电磁搅拌法

1.4.5 镁合金半固态制坯方法应用前景比较

1.5 稀土镁合金的研究现状

1.6 本课题的选题意义及主要研究内容

1.6.1 选题意义

1.6.2 主要研究内容

第2章 铸造法和近液相线模锻法制备AZ91D-Y半固态坯研究

2.1 试验材料及试验方法

2.2 含Y铸态AZ91D半固态坯的微观组织与力学性能

2.2.1 Y含量对铸态AZ91D半固态坯微观组织的影响

2.2.2 Y含量对铸态AZ91D半固态坯力学性能的影响

2.3 液态模锻浇注温度和模锻压力对AZ91D-Y半固态坯微观组织的影响

2.3.1 浇注温度

2.3.2 模锻压力

2.4 模锻压力对AZ91D-Y镁合金力学性能的影响

2.5 讨论

2.5.1 Y含量对AZ91D-Y半固态坯微观组织和力学性能的影响

2.5.2 液态模锻浇注温度对AZ91D-Y半固态坯微观组织的影响

2.5.3 液态模锻压力对AZ91D-Y半固态坯微观组织和力学性能的影响

2.6 本章小结

第3章 ECAE法制备AZ91D-Y半固态坯的微观组织和力学性能

3.1 试验材料及试验工装设计

3.1.1 试验材料

3.1.2 等通道角挤压试验的工装设计

3.1.3 挤压路线

3.1.4 变形温度和变形道次

3.2 试验方法

3.2.1 硬度测试

3.2.2 拉伸试验

3.2.3 显微组织观察

3.3 背压对ECAE变形后坯料的宏观形貌的影响

3.4 变形温度对ECAE变形后坯料的宏观形貌的影响

3.5 变形温度和变形程度对合金微观组织和力学性能的影响

3.6 屈服强度与晶粒度的关系

3.7 本章小结

第4章 三种制坯下AZ91D-Y镁合金半固态坯料球晶组织的形成

4.1 试验材料和试验方法

4.1.1 试验材料

4.1.2 固相率的确定

4.1.3 试验方法

4.2 三种路线制备AZ91D-Y镁合金半固态坯球晶组织的形成

4.2.1 铸造制备铸态AZ91D-Y半固态球晶组织的形成

4.2.2 近液相线模锻法制备AZ91D-Y半固态球晶组织的形成

4.2.3 ECAE法制备AZ91D-Y半固态球晶组织的生成

4.3 三种制坯下AZ91D-Y半固态坯球晶形成机理比较

4.4 三种制坯下AZ91D-Y半固态坯晶粒平均尺寸比较

4.4.1 固相颗粒尺寸大小比较

4.4.2 固相颗粒平均尺寸变化趋势

4.4.3 固相颗粒粗化速率比较

4.5 三种制坯下AZ91D-Y半固态坯形状因子比较

4.5.1 固相颗粒形状因子大小比较

4.5.2 固相颗粒形状因子变化趋势

4.5.3 固相颗粒球化速率比较

4.6 本章小结

第5章 三种制坯下AZ91D-Y半固态触变模锻试验研究

5.1 试验材料及试验工装设计

5.2 AZ91D-Y半固态触变模锻工艺参数的选择

5.2.1 球化时间

5.2.2 坯料加热温度

5.2.3 模具预热温度

5.2.4 模锻压力和保压时间

5.2.5 润滑剂的选用

5.3 试验方法

5.4 不同制坯方法对触变流动性能的影响

5.5 触变模锻工艺参数对成形件力学性能的影响

5.5.1 坯料球化时间对力学性能的影响

5.5.2 坯料温度对力学性能的影响

5.5.3 成形压力对力学性能的影响

5.6 制坯路线对成形件力学性能的影响

5.7 成形方法对成形件力学性能的影响

5.8 三种制坯成本与工艺适应性分析

5.9 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历