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Al-B（Mn）-C中间合金及Y对Mg-Al系合金晶粒细化的研究

作　者: 马国龙
导　师: 刘相法
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Mg-Al系合金晶粒细化异质形核中间合金 Al2Y
分类号: TG146.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

轻量化和节能减排要求使Mg-Al系合金在汽车工业中的应用前景广阔,但该系合金较低的强度、塑性以及抗蠕变性能限制了其广泛应用。晶粒细化可以提高Mg-Al系合金的强度和塑性,但至今仍没有一种可工业化应用的、无污染的高效晶粒细化剂；合金化可以改善Mg-Al系合金的高温抗蠕变性能。因此,研发实用型晶粒细化剂以及研究合金化对Mg-Al系合金微观组织的影响具有重要意义。本文利用高倍视频光学显微镜(HSVM)、X射线衍射仪(XRD)、差式扫描量热分析仪(DSC)、电子探针显微分析仪(EPMA)和场发射扫描电镜(FESEM)分析了通过熔体反应法和粉末冶金法制备的适用于Mg-Al系合金的含碳中间合金细化剂的相组成、微观组织和细化行为,分析了相应的晶粒细化机理；研究了Y合金化对Mg-Al合金晶粒尺寸和微观组织的影响,并对新生成的第二相粒子进行了表征。本文的主要研究工作如下：(1) Mg-Al系合金用含碳中间合金细化剂的制备及细化行为通过熔体反应法制备了Al-B-C中间合金,其中尺寸为2-8μm的Al3BC颗粒均匀分布在Al基体中,该相的生成机理为：在Al熔体中,C首先与Al反应生成Al4C3,引入的溶质B再与Al4C3反应生成Al3BC。B元素的引入改善了铸态Al-C合金中Al4C3相尺寸大且聚集的问题。该中间合金对AZ63合金具有良好的晶粒细化效率,在细化温度760℃下加入2wt.%该中间合金可将AZ63合金晶粒尺寸由710μm细化到70μm。计算证明Al3BC与α-Mg具有良好的晶格匹配关系,因此可以作为初晶a-Mg良好的异质形核衬底从而细化晶粒。通过熔体反应法制备了Al-Mn-C中间合金,其中含有尺寸差别明显的Al4C3颗粒；C在Mn-C合金中以固溶态和化合物的形式存在导致反应生成的Al4C3相尺寸的差别。以Mn作为C的载体克服了在Al熔体中加C困难的问题。该中间合金对AZ63合金具有良好的晶粒细化效果,在细化温度760℃下加入2wt.%该中间合金,AZ63的晶粒尺寸由690μm减小到110μm。高能球磨10小时的Mn-10C粉末中C完全固溶到Mn中形成Mn(C)固溶体,该粉末可有效细化Mg-3A1合金,加入0.5wt.%该粉末可将Mg-3A1合金的晶粒尺寸由480μm减小到180μm。通过粉末冶金法制备了Al-Mn-C中间合金,烧结过程中Mn(C)固溶体与Al反应生成Al6Mn与Al4C3相；该中间合金可有效细化AZ63合金,在细化温度750℃下加入1wt.%该中间合金,晶粒尺寸减小到原来的1/6。(2)Y合金化对Mg-Al合金晶粒尺寸和微观组织的影响Y元素的引入对Mg-6Al合金的晶粒尺寸和微观组织具有明显的影响。随Y含量增加,晶粒尺寸先增大后减小：Y含量为0.2wt.%时,其表面活化特性抑制了Al元素生长限制作用的发挥,导致Mg-6Al合金的晶粒尺寸从120μm急剧增大到980μm; Mg-6Al-0.8Y和Mg-6A1-1.6Y合金中原位生成的A12Y相可以作为初晶α-Mg良好的异质形核衬底,从而使晶粒尺寸从980μm分别减小到400μm和180μm。随Y含量增加,合金中原位生成的Al2Y颗粒的数量和平均尺寸增加,其主要分布在初晶α-Mg基体和晶界上,该组织有利于提高合金的高温抗蠕变性能；Al2Y相呈现出规则的多面体形貌,尤其是正八面体,且该形貌的Al2Y颗粒更容易作为初晶a-Mg的异质形核衬底。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-15
本文的创新点与主要贡献  15-16
第一章绪论  16-32
  1.1 引言  16
  1.2 镁及镁合金晶粒细化意义  16-18
  1.3 镁及镁合金晶粒细化方法  18-26
    1.3.1 金属及合金铸态组织晶粒细化方法  18-19
    1.3.2 纯镁及不含铝镁合金的晶粒细化方法  19-21
    1.3.3 镁铝系合金的晶粒细化方法  21-26
  1.4 耐热镁合金  26-29
    1.4.1 耐热镁合金的应用  27
    1.4.2 耐热镁合金设计与开发的一般原则  27-29
  1.5 Mg-Al系合金铸态组织特点  29-30
  1.6 本文研究意义、目的及内容  30-32
第二章试验材料与研究方法  32-38
  2.1 引言  32
  2.2 研究方案与技术路线  32-33
  2.3 试验材料与试验方法  33-35
    2.3.1 试验材料  33
    2.3.2 含碳中间合金的制备  33-34
    2.3.3 Mg-Al系合金晶粒细化与合金化  34-35
  2.4 合金和粉末样品的制备  35-36
  2.5 样品的分析和表征  36-38
    2.5.1 相分析  36-37
    2.5.2 微观组织分析  37
    2.5.3 热分析  37-38
第三章 Al-B(Mn)-C中间合金及其对Mg-Al系合金的细化行为  38-66
  3.1 引言  38-39
  3.2 Al-B-C中间合金的制备及其细化行为  39-49
    3.2.1 熔体反应法制备Al-B-C中间合金的微观组织与形成机理  39-43
    3.2.2 Al-B-C中间合金对AZ63合金的晶粒细化及机理  43-49
  3.3 Al-Mn-C中间合金的制备及其细化行为  49-64
    3.3.1 熔体反应法制备Al-Mn-C中间合金及其细化行为  49-55
    3.3.2 高能球磨制备Mn-C粉末及其细化行为  55-60
    3.3.3 粉末冶金法制备Al-Mn-C中间合金及其细化行为  60-64
  3.4 本章小结  64-66
第四章 Y合金化对Mg-Al系合金晶粒尺寸和微观组织的影响  66-78
  4.1 引言  66
  4.2 Mg-6Al-xY合金微观组织的研究  66-71
  4.3 Mg-6Al-xY合金中第二相粒子的表征  71-76
  4.4 本章小结  76-78
第五章结论  78-80
参考文献  80-88
致谢  88-90
附录  90-92
  附录Ⅰ: 攻读硕士学位期间发表的论文  90
  附录Ⅱ: 攻读硕士学位期间申请的专利  90
  附录Ⅲ: 攻读硕士学位期间参与的科研项目  90
  附录Ⅳ: 攻读硕士学位期间参加的学术会议  90-91
  附录Ⅴ: 攻读硕士学位期间获得的奖励  91-92
学位论文评阅及答辩情况表  92

Al-B（Mn）-C中间合金及Y对Mg-Al系合金晶粒细化的研究

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