【摘要】：鎂稀土合金具有較高的室溫和高溫強度、良好的抗蠕變性、優(yōu)良的耐蝕性能,在汽車和航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中Mg-Nd-Zn系鎂合金具有良好的綜合力學(xué)性能和鑄造性能,且稀土含量少,成本低,在汽車、航空航天和國防工業(yè)上具有極大的應(yīng)用前景。目前,該系鎂合金的成形方法主要有金屬模鑄造和砂型鑄造。前者難以有效避免疏松縮孔,不易成形復(fù)雜薄壁件;后者則成形鑄件晶粒尺寸較大,且生產(chǎn)效率低。因此,開展鎂稀土合金新型成形工藝研究,對于克服上述缺點,進一步提高合金的力學(xué)性能,拓寬鎂稀土合金的應(yīng)用范圍有重要的意義。流變擠壓鑄造是一種極具應(yīng)用前景的新型金屬零件近凈成形工藝。該工藝首先制備半固態(tài)非枝晶漿料,隨后進行擠壓鑄造獲得鑄件,具有如下優(yōu)點:不僅可以細化合金晶粒尺寸、顯著減少甚至消除鑄件中的疏松、縮孔等缺陷,顯著提高鑄件的力學(xué)性能,而且可以成形大型復(fù)雜薄壁件。目前關(guān)于流變擠壓鑄造的研究主要圍繞鋁合金開展,關(guān)于鎂合金研究較少。采用流變擠壓鑄造技術(shù)制備Mg-Nd-Zn系合金,有望進一步提高該系合金的力學(xué)性能,同時研究合金半固態(tài)非枝晶漿料的形成機理以及成形合金的強化機制對拓寬鎂稀土合金的應(yīng)用范圍和流變擠壓鑄造技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用具有積極的理論和現(xiàn)實意義。本文采用電磁攪拌制備Mg-Nd-Zn合金半固態(tài)漿料,隨后進行擠壓鑄造。系統(tǒng)研究了電磁攪拌工藝參數(shù)(攪拌時間、電壓、頻率)對Mg-Nd-Zn合金半固態(tài)非枝晶漿料組織的影響,流變擠壓鑄造工藝參數(shù)(壓力、模具溫度)對Mg-Nd-Zn合金的組織和力學(xué)性能的影響,以及微量Y元素的添加對Mg-Nd-Zn合金的組織與力學(xué)性能的影響。主要結(jié)論如下:探明了 Mg-Nd-Zn合金熔體電磁攪拌過程中(旋轉(zhuǎn)磁場作用下)非枝晶初生顆粒的形成機理和演變機制,闡明了 Zr粒子對半固態(tài)非枝晶漿料組織的影響,揭示了電磁攪拌工藝參數(shù)對合金熔體的影響規(guī)律。對Mg-3Nd-0.2Zn(NZ30)合金和Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr(NZ30K)合金熔體進行電磁攪拌,研究了不同攪拌工藝參數(shù)對合金半固態(tài)組織的影響。研究表明電磁攪拌后,合金熔體形成了均勻的溶質(zhì)溶度場和溫度場,NZ30合金漿料的初生相由枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)槿N不同形貌的顆粒:球狀、薔薇狀和細小的枝晶,演變過程為形核、枝晶熔斷以及隨后的熟化,結(jié)合枝晶熔斷的判據(jù),可以很好地闡明合金熔體在電磁攪拌過程中初生相的形成機制。NZ30K合金漿料經(jīng)電磁攪拌后,不但改善了漿料組織的Zr粒子分布,而且增加了活性Zr粒子的含量,促進了形核,最終能夠獲得細小、圓整的初生顆粒均勻懸浮于液相這一理想的半固態(tài)組織,其演變過程為形核以及隨后的熟化。通過對比,可以發(fā)現(xiàn)在Mg-Nd-Zn合金添加Zr元素,電磁攪拌過程中初生顆粒的主要形成機理由枝晶熔斷轉(zhuǎn)變?yōu)槿垠w中直接形成細小圓整的初生顆粒。固相率隨攪拌時間的變化可以用線性方程描述,利用該方程可以控制流變成形過程中的固相率。NZ30K合金漿料中的初生顆粒尺寸和攪拌時間的關(guān)系可以用熟化方程進行描述。隨著電壓和頻率的升高,顆粒尺寸和形狀系數(shù)先減小后增大。據(jù)此開發(fā)了適用于Mg-Nd-Zn合金的電磁攪拌流變擠壓鑄造新工藝,獲得了最佳工藝參數(shù)范圍。對于NZ30合金,最優(yōu)工藝參數(shù)為:120-180s,300-350v,20Hz。對于NZ30K合金,其最優(yōu)工藝參數(shù)為:30-180s,350v,20Hz�；跓崃W(xué)微分方程,可以建立電磁攪拌工藝參數(shù)(電壓、頻率)與熔體的過冷度、熔體溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系式(AT=探明了模具溫度對流變擠壓鑄造NZ30K合金的組織和力學(xué)性能影響規(guī)律。隨著模具溫度的升高,流變擠壓鑄造NZ30K合金的晶粒尺寸逐漸增大,共晶相尺寸和位錯密度減小,二次凝固組織減少。此外,合金的密度增加,組織越來越致密。因此,隨模具溫度從200℃升高到300℃,合金力學(xué)性能逐漸增加。鑄態(tài)合金屈服強度的強化貢獻主要來源于晶界強化和初生第二相強化。T6處理后,合金的力學(xué)性能同樣隨模具溫度的升高先增加后減小,屈服強度的強化貢獻主要來源于晶界強化和析出強化。探明了壓力對流變擠壓鑄造NZ30K合金的組織和力學(xué)性能影響規(guī)律。基于Clausius-Clapeyron方程,推導(dǎo)了壓力、過冷度以及形核率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式:13.8℃時,NZ30K合金熔體的形核率隨著壓力的升高而增加。此外,隨著壓力的升高,Nd、Zn在α-Mg中的固溶度增加,位錯密度提高。鑄態(tài)合金的力學(xué)性能隨壓力的升高先增大后減小,性能增大的原因主要是晶粒細化和組織致密化,性能減小的原因主要是初生顆粒之間發(fā)生了塑性變形,應(yīng)力集中較大。T6處理后,合金的力學(xué)性能隨壓力的增大不斷增加,合金屈服強度、抗拉強度和伸長率分別可達 165 MPa,309MPa 和 5.7%。揭示了不同工藝(金屬模鑄造、常規(guī)擠壓鑄造、流變擠壓鑄造)成形的Mg-Nd-Zn 合金的強化機理。與金屬模鑄造合金和常規(guī)擠壓鑄造合金相比,流變擠壓鑄造合金的晶粒尺寸較小,共晶組織較為細小且數(shù)量較少,均勻分布于顆粒之間,因此綜合力學(xué)性能較高。T6處理后,流變擠壓鑄造NZ30K合金中的析出相主要為β〃相和β′相,金屬模鑄造合金和常規(guī)擠壓鑄造合金中的析出相主要為β′相。由于具有較大的晶粒細化效果,流變擠壓鑄造合金的力學(xué)性能高于金屬模鑄造合金;由于具有較大的析出強化效果,流變擠壓鑄造合金的力學(xué)性能高于常規(guī)擠壓鑄造合金。探明了微量Y元素對金屬模鑄造和流變擠壓鑄造Mg-Nd-Zn合金的組織與力學(xué)性能的影響。隨著Y含量的提高,兩種成形方式獲得的鑄態(tài)合金的平均晶粒尺寸均降低,且在含Y合金中形成少量的Mg_(24)Y_5相,該相在0.39wt.%Y含量合金的晶界處均勻分布。合金的時效強化效果隨著Y含量的增加而增強。時效處理后,0.39wt.%Y含量合金中的長棒狀Zn_2Zr_3相數(shù)量顯著增加,且由于Zn原子的偏聚,該相數(shù)量多于不含Y元素的合金。在所有實驗條件下,0.39 wt.%Y含量合金具有最優(yōu)的綜合力學(xué)性能,尤其在200-300℃范圍內(nèi)金屬模鑄造合金具有較高的屈服強度(約為150MPa)。合金力學(xué)性能的提高主要是晶粒細化、固溶強化、2n_2Zr_3相和β'相強化的共同作用。此外,建立了Arrhenius模型用于描述變形溫度和應(yīng)變速率對金屬模鑄造0.39 wt.%Y含量合金的流變應(yīng)力的影響:σ=(169.69(?) exp(223045/RT))~(0.098)。其應(yīng)變指數(shù)值和激活能均高于不含Y元素合金的值。與金屬模鑄造合金相比,0.39wt.%Y含量合金流變擠壓鑄造后,晶粒得到細化,合金力學(xué)性能進一步提高。該合金T6處理后,屈服強度、抗拉強度和伸長率分別可達168 MPa、329MPa和8.7%。
【圖文】：

第一章 緒論概述上儲量最豐富的元素之一，其含量約占地殼表層金、鈣和鉀[1]。此外，鎂在鹽湖和海水中的含量也相當 2.1 105噸，約占 0.13%，僅次于氯和鈉元素。目前實際應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，純鎂的密度 2/3，Zn 合金的 1/3，鋼鐵的 1/4，鈦合金的 2/5，與金的應(yīng)用能夠帶來巨大的減重效益和顯著的性能提的國家主要包括中國，俄羅斯，以色列，，美國，巴來西亞，韓國，塞爾維亞等[4]。我國的菱鎂礦占世在攻關(guān)計劃和 863 計劃中相繼啟動鎂合金材料的開了我國鎂合金的應(yīng)用[2]。如圖 1-1 所示，我國鎂供應(yīng)上最大的鎂供應(yīng)商[4]。

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文強度由晶粒尺寸和 Nd、Zn 的含量決定。其硬度可由 HV5= 21 +3.07d-0.5(m-0.5)+26.5 CNd(at.%) +10.5 CZn(at.%)計算，誤差約為 1.3%。屈服強度 σ0.2(MPa) = 21+0.42 d-0.5(m-0.5) +(8133/2CNd(at. %) +9643/2CZn(at. %))2/3，誤差約為 2.0%。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22

【參考文獻】

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5 劉正;;鎂合金鑄造成型最新研究進展[J];中國材料進展;2011年02期

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本文編號：2608096