稀土镁合金超声振动制浆及其流变挤压成形组织与性能研究

摘要

作为最轻的金属结构材料，镁及其合金在汽车、电子通信、航空航天等领域具有广阔的应用前景。与铸造铝合金相比，常规铸造镁合金的室温和高温力学性能普遍偏低，需要进一步提高镁合金材料的强度与耐热性。镁合金强韧化的重要途径之一是稀土合金化，但常规铸造稀土镁合金组织中存在着稀土相过于粗大、分布不均等一些严重的问题，亟需在合金成分设计和成形加工技术方面有所突破。因此，本文设计了一种新型多元稀土镁合金材料（Mg-Zn-Y-Ce/La合金），并提出了针对稀土镁合金的超声制浆及其流变挤压成形工艺，研究了稀土元素（Ce/La和Y）含量、超声振动、挤压压力和热处理工艺对该合金组织与性能的影响规律，为新型稀土镁合金材料及其成形工艺的开发与应用提供理论依据和试验基础。
　　设计并研究了一种添加低成本混合稀土Ce/La的新型Mg-Zn-Y-Ce/La合金，系统研究了Ce/La含量对Mg-6Zn-1.4Y-xCe/La合金组织演变、相变行为以及室温和高温力学行为的影响规律。Ce/La的加入能有效地细化合金组织，并形成一种高熔点的T相（(Ce,La)(Mg1-xZnx)11）。T相的形成会降低剩余熔体中的Zn/Y比，从而改变ZW61（Mg-6Zn-1.4Y）合金中准晶I相（Mg3Zn6Y）与W相（Mg3Zn3Y2）的相变规律。Mg-Zn-Y-Ce/La合金中合金相的一般析出顺序为：初生α-Mg相→T相→W相→I相。T相在高温下具有较高的热稳定性，有利于合金高温力学性能的提升，但晶界处过多的T相容易产生应力集中，使得室温拉伸时过早断裂。优化Ce/La含量所得到的ZWE611（Mg-6Zn-1.4Y-1Ce/La-0.6Zr）合金，在高温稳定T相和准晶I相的协同强化作用下，同时具有较高的室温和高温力学性能。
　　系统研究了不同超声振动制浆工艺（施振时间、振歇比和体积功率）下ZW61合金半固态浆料组织的演变规律，并通过正交优化得到了一组最佳的工艺参数。该工艺同样适用于Mg-Zn-Y-Ce/La合金半固态浆料的制备，所制备的半固态浆料晶粒细小圆整，平均晶粒直径在28~33μm之间，形状系数在0.73以上。超声振动在熔体内部能够引发声流效应和声空化效应，使得流变成形组织中尺寸相差较大的两种α-Mg晶粒（制浆阶段形核长大的α1-Mg和后期凝固形成的α2-Mg晶粒）都得到显著的细化和球化。超声振动的施加能改变合金熔体内部溶质元素与温度的分布，抑制了稀土共晶相在晶界上大规模富集，也为α2-Mg晶内大量准晶I相颗粒的析出提供所需的温度与成分条件。
　　研究了挤压压力对流变成形ZW61合金组织与性能的影响规律。随着挤压压力由0MPa增大到200MPa，合金凝固过程中热力学与动力学条件发生变化，流变成形组织中α1-Mg和α2-Mg晶粒尺寸不断减小，且α2-Mg晶粒形貌由等轴枝晶向球状晶发生转变。在挤压压力作用下，合金组织中第二相的形貌与大小也发生改变，共晶组织由不规则形貌转变为典型的层片状共晶形貌；稀土相的体积分数降低，尤其是准晶I相颗粒会明显减少甚至消失。当施加50MPa的挤压压力时，合金的力学性能得到了显著的提升，主要原因是铸件致密度的提高和缺陷的减少；随着挤压压力增加到200MPa时，合金凝固组织的细化使得力学性能得到进一步的提升。
　　研究了一种准晶增强稀土镁合金的高温固溶T6热处理工艺，并探讨了该热处理工艺下合金的相变行为与强化机理。当固溶温度为460°C时，准晶I相不再稳定，转变为W相。固溶到基体中的Zn原子能使得随后的时效过程中有大量β1′、β2′相的析出。与常规热处理工艺相比，高温固溶T6热处理工艺所产生的固溶与时效强化效果更为显著，合金屈服强度和抗拉强度比铸态时分别提高了61.7％和30.7%。
　　系统研究了超声振动和热处理对四种不同Y含量的Mg-Zn-Y-Ce/La合金组织与性能的影响。Y含量（0~2.8wt.%）的不同会导致合金中第二相组成有明显差别，尤其是Y含量为2.8wt.%时，凝固过程中合金相析出顺序也发生了改变：初生α-Mg相→W相→T相→I相。超声振动对I相、W相和T相等稀土相都具有显著的细化作用，并有效抑制了晶界上稀土相的富集，所以施加超声后四种合金性能都有一定的提升。热处理对四种合金强化效果差别较大，这主要是固溶过程中第二相的热稳定性不同所造成的。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 稀土镁合金的发展与研究现状

1.3 超声振动在金属凝固领域的研究现状

1.4 压力作用下合金凝固过程的研究

1.5 目前存在的问题

1.6 课题研究的主要内容

2 材料制备及试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验装置和方法

2.3 合金的热处理

2.4 显微组织及相分析

2.5 铸件密度和室温高温力学性能测试

3 混合稀土Ce/La含量对Mg-Zn-Y-Ce/La合金组织和性能的影响

3.1 引言

3.2 试验方案

3.3 混合稀土Ce/La含量对合金组织的影响

3.4 混合稀土Ce/La含量对相变行为的影响

3.5 混合稀土Ce/La含量对室温力学性能的影响

3.6 混合稀土Ce/La含量对高温力学性能的影响

3.7 本章小结

4 Mg-Zn-Y-Ce/La合金超声制浆工艺的优化及其制浆机理的研究

4.1 引言

4.2 试验方案

4.3 不同超声工艺参数对半固态浆料水淬组织的影响

4.4 ZW61合金超声制浆工艺的正交优化

4.5 体积功率对ZW61合金流变挤压成形组织与性能的影响

4.6 超声振动对ZWE611合金流变成形组织与性能的影响

4.7 流变成形凝固过程中超声振动作用机理

4.8 本章小结

5 挤压压力对流变成形ZW61合金组织和性能的影响

5.1 引言

5.2 试验方案

5.3 挤压压力对流变成形合金组织中初生相的影响

5.4 流变成形挤压阶段合金的凝固机理

5.4 挤压压力对流变成形合金组织中第二相的影响

5.5 挤压压力对凝固过程中第二相形成过程的作用机理

5.6 挤压压力对流变成形ZW61合金性能的影响

5.7 本章小结

6 热处理对流变成形Mg-Zn-Y-Ce/La合金组织和性能的影响

6.1 引言

6.2 试验方案

6.3 固溶工艺参数对T4态ZW61合金组织影响规律

6.4 固溶工艺参数对T6态ZW61合金组织的影响

6.5 固溶工艺参数对T6态ZW61合金性能的影响规律

6.6 热处理对流变挤压成形ZWE611合金组织与性能的影响

6.7 本章小结

7 不同Y含量Mg-Zn-Y-Ce/La合金的流变挤压成形组织和性能

7.1 引言

7.2 试验方案

7.3 Y含量对Mg-Zn-Y-Ce/La合金铸态组织的影响

7.4 超声振动对不同Y含量Mg-Zn-Y-Ce/La合金铸态组织的影响

7.5 T6热处理对不同Y含量Mg-Zn-Y-Ce/La合金组织的影响

7.6 Y含量对流变挤压成形Mg-Zn-Y-Ce/La合金性能的影响

7.7 本章小结

8 主要结论、创新点与展望

8.1 主要结论

8.2 主要创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士期间的主要研究成果与奖励