Mg-Gd-Y鎂合金Zr晶粒細(xì)化行為研究.pdf

1、鎂合金鑄造過程中添加有效的晶粒細(xì)化劑是非?；A(chǔ)的環(huán)節(jié)，能顯著細(xì)化合金組織、提高組織均勻性、減少鑄造缺陷，有效改善合金的強(qiáng)韌性和塑性。Zr是不含Al元素的鎂合金最有效的細(xì)化劑，目前主要是以二元Mg-Zr中間合金的形式加入。近年來，Mg-Gd-Y(-Zr)稀土鎂合金因輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空、軍工、通訊等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。然而，Zr對Mg-Gd-Y合金晶粒細(xì)化行為還未得到全面認(rèn)識和研究。由于Zr的密度（6.52g/cm3

2、）重于液態(tài)Mg(～1.58g/cm3)，在Mg-Gd-Y鎂合金熔煉過程中，Zr的自發(fā)沉降引起了晶粒細(xì)化的衰退，成為獲得穩(wěn)定晶粒細(xì)化效果的瓶頸，因此有必要闡明其衰退行為，以推進(jìn)Zr細(xì)化工藝的發(fā)展。更為迫切的問題是，Zr沉降已引起研究者關(guān)注原料Zr細(xì)化劑的組織特征，特別需要研究Zr中間合金對Mg-Gd-Y細(xì)化效果的影響，以探尋更高效的Zr細(xì)化劑。同時，一條并行的思路是，研究和開發(fā)新型Zr細(xì)化劑或加Zr方法，以抑制Zr沉降、節(jié)省成本。此外，揭

3、示合金元素Gd、Y、Zr在晶粒細(xì)化過程中的交互作用行為，對進(jìn)一步研究鎂合金Zr晶粒細(xì)化機(jī)制，具有一定的理論意義。
　　 本文研究了Zr對Mg-Gd-Y鎂合金晶粒細(xì)化行為。通過Zr在Mg-Gd-Y熔體中的沉降實驗，揭示了Zr沉降對晶粒細(xì)化效果衰退的影響規(guī)律，并指出了最佳保溫時間。進(jìn)而通過晶粒細(xì)化試驗，闡明了Mg-Zr中間合金自身的Zr粒子尺寸分布狀態(tài)對Mg-Gd-Y鎂合金晶粒細(xì)化效果的影響，提出了顯著改善Mg-30％Zr中間合金細(xì)

4、化效果的方法。為抑制Zr沉降和降低成本，開發(fā)了針對Mg-Gd-Y鎂合金的新型富Zr混合鹽原位細(xì)化法，并從熱力學(xué)角度闡明了相關(guān)的細(xì)化機(jī)制。最后，結(jié)合實驗和理論分析，探討了合金元素Gd、Y、Zr在該合金晶粒細(xì)化過程中的交互作用機(jī)制。
　　 沉降實驗表明，Zr沉降對Mg-Gd-Y鑄錠Zr含量及晶粒尺寸均具有非常不利的影響（衰退）。攪拌結(jié)束5min靜置至240min，730℃～780℃之間，Zr含量衰退33％，晶粒尺寸粗化23％～27％

5、。沉降計算表明，從攪拌結(jié)束靜置至5min，主要是大于7μm粒子的沉降，可有效去除尺寸稍大的Zr夾雜，是工藝上需要的沉降;但從5min靜置至240min，更細(xì)小的Zr粒子沉降占主要作用，是導(dǎo)致晶粒細(xì)化衰退的主要原因。優(yōu)化的靜置工藝為15min。建立了晶粒尺寸粗化率的數(shù)學(xué)模型:△C,％=5.21·lnt-8.15(t＞5min,730℃),△C,％=6.76·lnt-9.42(t＞5min,780℃),對理解Zr晶粒細(xì)化衰退具有一定指導(dǎo)意義

6、。
　　 晶粒細(xì)化對比實驗表明，對于不同的Mg-Zr中間合金，其組織內(nèi)的Zr粒子尺寸分布狀態(tài)，是影響Mg-Gd-Y合金細(xì)化效果的主要因素。當(dāng)Zr中間合金組織中尺寸5μm以內(nèi)細(xì)小Zr粒子的數(shù)量密度最高時，其細(xì)化效果最強(qiáng)，因為此區(qū)間的Zr粒子越多，越能在滿足溶解Zr量的基礎(chǔ)上，提供更多潛在的形核核心。基于此，提出了多道軋制改善Mg-30％Zr中間合金的Zr粒子分布，細(xì)化效果提高30％以上。
　　 為抑制Zr沉降、節(jié)省成本，首

7、次探索了針對Mg-Gd-Y合金的新型富Zr混合鹽原位細(xì)化法。提出了優(yōu)化后的Zr混合鹽成分，為50％K2ZrF6-25％NaCl-25％KCl。對比實驗表明，Zr鹽細(xì)化效果可達(dá)到Mg-Zr中間合金的水平，而抗衰退性明顯優(yōu)于Mg-Zr中間合金。熱力學(xué)分析揭示了Zr鹽細(xì)化機(jī)制，可能主要由于原位生成的溶質(zhì)Zr對Mg晶核的強(qiáng)烈生長抑制作用。
　　 闡明了Zr鹽法產(chǎn)生的夾雜物是反應(yīng)產(chǎn)物KF、MgF2和殘余鹽形成的團(tuán)簇或結(jié)塊;并采用MgO泡沫

8、陶瓷過濾器進(jìn)行凈化除雜，使得鑄錠力學(xué)性能得到明顯提高，但今后仍有待進(jìn)一步開發(fā)更高效的復(fù)合凈化工藝以除雜。
　　 揭示了晶粒細(xì)化過程中，Gd、Y、Zr的交互作用行為。結(jié)果表明:未加Zr時，晶粒尺寸隨著Gd、Y含量增加而降低，符合關(guān)系式dgs=3894.3· e-0.113·Q（Q為生長抑制因子）;當(dāng)Zr含量一定時，晶粒尺寸也是隨Gd、Y的增加而降低，但Gd、Y的增加卻降低了Zr對細(xì)化的貢獻(xiàn);當(dāng)Gd、Y含量一定時，晶粒尺寸隨Zr含量

9、增加而降低。對溶解Zr和未溶解Zr的細(xì)化貢獻(xiàn)分析表明，未溶解Zr粒子異質(zhì)形核對晶粒細(xì)化的貢獻(xiàn)率n(％)隨Q增加而降低，基于數(shù)據(jù)分析構(gòu)建了之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式n，％=115.8· e-0.111·Q，對進(jìn)一步研究Zr晶粒細(xì)化機(jī)制具有一定理論意義。
　　 結(jié)合Zr異質(zhì)形核細(xì)化貢獻(xiàn)的分析(n,％）與活性(active)形核Zr粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計算，闡明了Gd、Y含量增加抑制了Zr異質(zhì)形核率的現(xiàn)象。表明一部分潛在形核Zr粒子并未成功形核，可能