（材料加工工程专业论文）altib增强镁合金组织性能的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 由于m g - a i z n 系合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀等综合性能，而且价格较低， 因此是最常用的镁合金系列之一。与铸造镁合金相比，变形镁合金的铸造缩孔、热裂等 缺陷较少，加工性能和强度也比铸造镁合金高，由于a z 3 1 是目前塑性成形性、力学性 能和综合性能等指标最好的一种变形镁合金。论文选取a z 31 变形镁合金为研究对象， 开展了两种形式的a 1 t i b 对其组织性能影响的研究。 首先对软接触电磁连铸法制备的不同a 1 5 t i 1 b 中间合金添加量的a z 3 1 镁合金组 织性能进行研究，并与金属型铸造法进行对比，着重对a 1 5 t i 1 b 中间合金对a z 3 1 镁 合金的晶粒细化机制进行了探讨。结果表明：在金属型铸造条件下，a 1 5 t i 1 b 中间合 金添加量控制在0 5 w t 为佳，此时，合金平均晶粒尺寸达到最小，约为a z 3 1 镁合金 平均晶粒尺寸的3 0 ，抗拉强度及延伸率分别达到1 8 4 m p a 和8 1 4 。与此相比，软接 触电磁连铸铸锭( 0 5 w t a 1 5 t i 1 b ) 晶粒进一步细化，第二相弥散分布，力学性能进一步 提高，抗拉强度和延伸率提高了约1 8 和1 2 2 。a z 3 1 镁合金组织性能的变化主要与第 二相的弥散分布以及a 1 5 t i 1 b 中间合金中的自由t i 和t i b 2 相关。 。接下来研究了削t i b 混合体系的高温自蔓延反应机制，并对灿t ；b 混合体系对 a z 3 l 镁基复合材料组织性能的影响进行了探讨。通过对t i b 混合体系标准吉布斯 自由能变的计算，结果表明：a 1 t i b 体系中各组元问的反应在热力学上是可行的，而 且存在中间相向t i b 2 转变的可能。但是，差热分析( d t a ) 却证明除t i b 二元系外，砧t i b 体系各二元组元之间均可以发生反应。 在镁基复合材料制备方面，考虑到现有搅拌铸造法制备镁基复合材料的工艺局限 性。通过调整t i b 2 颗粒加入方式、搅拌铸造法工艺参数，获得了t i b 2 颗粒加入新方法， 制备出了高收得率、颗粒分布较均匀、气孔率低的t i b 2 a z 3 1 镁基复合材料坯料。同时 利用热挤压对搅拌铸造法制备的t i b 2 a z 3 1 镁基复合材料进行了变形实验，以期消除其 组织固有缺陷并获得颗粒分布均匀的组织。结果表明：热挤压可以有效的细化a z 3 1 镁 合金组织，改善增强颗粒分布的均匀性和提高a z 3 1 镁合金与增强颗粒的结合性能；与 a z 3 1 镁合金相比，t i b 2 眦3 1 镁基复合材料组织得到了有效的细化，其抗拉强度、硬 度和耐磨性都有不同程度的提高。经热挤压后，t i b 2 a z 3 1 镁基复合材料力学性能得到 进一步提高。当预制块添加量为6 w t 时，复合材料的硬度、抗拉强度和耐磨性分别比 挤压后a z 3l 镁合金增加了6 3 、2 5 和2 0 。 关键词：a z 3 1 镁合金；a 1 - 5 t i - i b ；软接触电磁连铸；t i b ：a z 3 1 镁基复合材料；自蔓廷； 热挤压 a 1 t i - b 增强镁合金组织性能的研究 r e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f a 1 - - t i - br e i n f o r c e d m a g n e s i u ma l l o y a b s t ra c t b yt h e s eh i g h e rp r o p e r t i e s ，s u c ha sr e s i s t a n c et ow e a r ，g o o dp l a s t i c i t y ，d u r a b i l i t ya n d a l l a c c e p t a b l ec o m m e r c i a lp r i c e ，t h em g - a 1 一z na l l o yi sg e n e r a l l ya p p r e c i a t e si ni n d u s t r y c o m p a r e dt oa s - c a s tm a g n e s i u ma l l o ys u c ha sw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o ye x h i b i tal e s sc a s t i n g s h r i n k a g e ，h o tc r a c k i n g ，m o r e o v e ri to c c u r st h a tt h ew r o u g h ta l l o yo fa z 3 1h a sb e t t e r p r o p e r t i e so fp l a s t i cd e f o r m a t i o n , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e se t c i n t h i sp r e s e n tp a p e r ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p r i e t i e so fa z 31a l l o yh a v eb e e ns t u d i e db y a d d i n gt w of o r m so fa 1 一t i b f i r s t l y ，t h e e f f e c t so fs o f t - c o n t a c te l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n go nm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o y 、) i ，i 也d i f f e r e n ta 1 - 5 t i - 1bm a s t e ra l l o y a d d i t i o n 。w e r ei n v e s t i g a t e db yc o m p a r i n g 、 ，i t l lt h ed i ec a s t i n g o t t h eg r a i nr e f i n i n g p e r f o r m a n c e so fa 1 5 t i 一1bm a s t e ra l l o yh a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yo na z 3 1 a l l o y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u ma v e r a g eg r a i ns i z ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 31 m a g n e s i u ma l l o y 、析t ha 1 - 5 t i - 1bm a s t e ra l l o yi so b t a i n e dw h e nt h ea d d i t i o no fa 1 - 5 t i 一1b m a s t e ra l l o yi sa to 5 w t i nt h e s ee x p e r i m e n t sc o n d i t i o n s t h ea v e r a g eg r a i ns i z ei sa b o u t3 0 o ft h a to fa z 31a l l o ya n dt h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na r e18 4m p aa n d8 14 ， r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dt ot h ed i ec a s ti n g o t ，t h es o f t - c o n t a c te m ci n g o t sw i t ho 5 w t a 1 - 5 t i - 1bh a v em o r ef i n ea n du n i f o r mg r a i ns t r u c t u r e ，w h i c hi m p r o v e st h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo fm a g n e s i u ma l l o y s t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fs o f t c o n t a c t e m cs p e c i m e n si n c r e a s eb ya b o u t18 a n d12 2 ，r e s p e c t i v e l y m i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 3la l l o yw i t ha 1 - 5 t i 一1bm a s t e ra l l o ya d d i t i o na r ea f f e c t e db yt i a n dt i b 2 s e c o n d l y ，s e l f - p r o p a g a t i n gh i g h - t e m p e r a t u r er e a c t i o nm e c h a n i s mo fa 1 - t i bh a sb e e n s t u d i e da n dd i s c u s so nw h a tm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 31m a g n e s i u m a l l o y 、) l ，i 也- t i ba d d i t i o na r ea f f e c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a c t i o nb e t w e e nt h e v a r i o u sg r o u p so fa 1 一t i bt h e r m o d y n a m i c a l l yf e a s i b l ea n di nt h i sc a s e ，w ew i l ls e et h a tt h e r e e x i s tc h a n g e so ft i b 2 s i m u l t a n e i t yi nt h ed u a l e l e m e n tr e a c t i o no fa 1 - t i bh a sa l s ob e e n p r o v e db yd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ( d t a ) t h em a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e d 谢t hk g hj o i n i n gr a t i o ，u n i f o r m d i s t r i b u t i o na n dl o wp o r er a t i ob ya d j u s t i n gt h ej o i n i n gm e a n so ft i b 2a n dt h ep r o c e s s p a r a m e t e r sf o rt h el o c a l i z a t i o no fr e c e n ts t i r r i n g - c a s t i n gt e c h n o l o g i e s m e a n w h i l ed e f o r m i n g t e s t sw e r ep e r f o r m e df o rt i b 2p a r t i c l er e i n f o r c e dm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sp r e p a r e db y s t i r r i n g c a s t i n gp r o c e s sa f t e rh o te x t r u s i o n t oe l i m i n a t et h ed e f e c t si nt h es t r u c t u r e sa n do b t a i n i i 大连理工大学硕士学位论文 t h eu n i f o r n ld i s t r i b u t i o no ft i b 2p a r t i c l e t h es t r u c t u r e so fm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sa n d 五? a c t u r es u r f a c ew e r eo b s e r v e da n da n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ea f t e rh o te x t r u s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i z eo fg r a i n sw a sr e d u c e d ，t h e u n i f o r m i t yo fp a r t i c l ew a si m p r o v e da n dt h ec o n n e c t i o no fm a t r i xa n dp a r t i c l e sw a se n h a n c e d a f t e rh o te x t r u s i o n c o m p a r e dw i t ha s c a s ta z 31a l l o y t h eh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ho f a s - c a s tt i b 2 a z 31m a t r i xc o m p o s i t e si n c r e a s es l i g h t l y b u ti t se l o n g a t i o nd e c r e a s e s n l e h a r d n e s s t e n s i l es t r e n g t ha n dw e a rr e s i s t a n c eo fa s e x t r u d e dt i b 2 儿坦31m a t r i xc o m p o s i t e m a t e r i a l si n c r e a s eb y6 3 2 5 a n d2 0 w h e nt h ea d d i t i o no fa 1 t i bp r e c a s tb l o c ki sa t 6 w t b u ti t se l o n g a t i o nd e c r e a s e d a n dt h er e d u c e dm a g n i t u d es m a l l e rt h a nt h ea s c a s t m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e k e yw o r d s ：a z 3 1m a g n e s i u ma t t o y ；a t 5 t j - 1b ；s o f t - c o n t a c te l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ； t i b 2 a z 3 1m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e ； s e l f - p r o p a g a t i o nh i g ht e m p e r a t u r e s y n t h e s i s ；p a r t i c l e s ；h o te x t r u s i o n - i i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：! = ! i 二垦增强链佥金组织! 眭能鲍珏究 作者签名： 窭国纽日期：丝! 至年_ 三三月互l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 盎鲎垒日期：坐z 年上l 月型7 _ 日 日期：上坚扛年业月强日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 m g 于1 7 5 5 年被发现，1 8 0 8 年d a v e y 将m g 分离出来，1 8 5 2 年b u n s e n 建成了电解 熔融m g c l 2 的实验室，在1 8 8 6 年德国开始生产m g 。但在1 9 0 0 年以前，全世界m g 产 量仅1 0 t ，1 9 1 5 年上升到3 5 0 t ，第一次世界大战最后一年m g 产量猛增到3 0 0 0 t ，在1 9 2 0 年又回落到，在第二次世界大战的影响下，1 9 3 9 年m g 产量达到3 2 0 0 0 t ，产量几乎增长 了近l o 倍【l 】。进入2 0 世纪9 0 年代中期，由于环境和能源问题越来越突出，更进一步引 起了人们对镁的重视。近年来，镁合金及其成型技术的研究和应用获得了重大的进展， 镁合金材料质量不断提高而生产成本不断下降，镁己成为继钢铁和铝之后的第三类金属 结构材料。然而，镁、镁合金及镁基复合材料的密度一般小于1 8x1 0 3 k g m a ，仅为铝 或铝基复合材料的6 6 左右，因而具有更高的比强度和比刚度以及优良的力学和物理性 能，在新兴高新技术领域中比传统金属材料和铝基复合材料的应用潜力更大。因此，自 2 0 世纪8 0 年代末，镁合金及镁基复合材料成为了金属基复合材料领域的新兴研究热点 专一1 1 - 3 】 “一 o 1 1 镁及镁合金 1 1 1 纯镁的物理化学性质 纯镁的物理化学性质 4 1 如表1 1 所示。 表1 1 纯镁的物理化学性质 t a b 1 1t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fp u r em a g n e s i u m 1 4 1 a 1 t i b 增强镁合金组织性能的研究 1 1 2 镁合金的特性 镁合金重量轻，密度为1 7 5 1 9 0 9 c m 3 ，仅为铝合金的2 3 ，故铸造镁合金有很高的 比强度、比刚度和比弹性模量，在铸造材料中仅次于铸造铝合金和高强度钢【5 j 。铸造镁 合金有优良的减震性，因而在受冲击载荷和震动时能吸收较大的能量，故它可以用来作 为飞机的轮毂、风动工具的零件，亦可用作精密电子仪器的底座。耐热镁合金的高温力 学性能比耐热铝合金要低些，但高温比强度却较耐热铝合金高，故航空上耐热铸镁合金 的应用日益增多【6 】。镁合金优良性能主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 高的比强度与比刚度 镁合金的比重高于塑料，但单位重量的强度和弹性率却比塑料高。所以在同等强度 下的零部件，镁合金能做得比塑料的薄而且轻。另外，由于镁合金的比强度也比铝合金 和铁的高，所以在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。 ( 2 ) 良好的阻尼减振性能 由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。另 外，冲击能量吸收性能好，比铝合金具有更好的延伸率，受到冲击后，能吸收冲击能量 而不会产生断裂【7 。 ( 3 ) 良好的电磁屏蔽性能 镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果好，因此，使用镁合金可省 去电磁波屏蔽膜的电镀工序。在手机电话的壳体和屏蔽材料上使用镁合金，可以减少电 磁辐射，提高抗干扰性能。这些性能非常适合于3 c 产品的需求1 8 】o ( 4 ) 良好的导热和导电性 虽然镁合金的导热系数不及铝合金，但是比塑料高出1 0 0 倍f 9 】，因此镁合金用于电 器产品上，可有效地将内部的热散发n # i - 面，在内部产生高温的电脑和投影仪等的外壳 和散热部件上使用镁合金，可以有效地将内部热量散发出来。 ( 5 ) 优良的切削加工性能 镁合金的切削速度大大高于其他金属，能够减少切削加工时间，不需要磨削和抛光， 不使用切削液即可得到光洁的表面。 ( 6 ) 耐凹陷性好 镁合金与其他金属相比抗变形力大，由冲撞而引起的凹陷小于其他金属。 虽然镁合金具有优良的性能，但是，镁合金的价格和镁合金产品的成本还较高，大 规模的应用还有一定的困难。而且，镁合金低强度、易燃性、耐蚀性差、抗高温蠕变能 力差( 使用温度 l l a m ) 的颗粒与基体复合而成，其增强原理【3 4 】与 弥散增强有区别。在颗粒增强复合材料中，虽然载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载 荷并约束联体的变形、颗粒阻止基体位错运动的能力愈大，增强效果愈好。 若微粒直径为d p ，体积分数为v p 、微粒弥散且均匀分布，根据体视金相学，有如 下关系： 大连理工大学硕士学位论文 q = ( 詈嘭2 厂( 1 - ) ( 1 - 2 ) 在外载荷的作用下，基休内位错的滑移在基体颗粒界面上受到阻滞，并在颗粒上 产生应力集中，其值为： 仃。= 腑 ( 1 3 ) 根据位错理论，应力集中因子为： 刀= 仃d 口g b ( 1 4 ) 将( 1 2 ) 式代入( 1 1 ) 式得出： q = 盯2 d 。g r a b ( 1 5 ) 如果q = 仃，时，颗粒开始破坏，产生裂纹，引起复合材料变形，并令仃，= g ，c ， 则有 q = i x ，= g l l ，c = o r 2 印g b ( 1 6 ) 式中仃。为颗粒强度，c 为常数。 由此得出颗粒增强复合材料的屈服强度为： t y y = 瓯q 6 q c ( 1 7 ) 将( 1 1 ) 式代h ( 1 - 6 ) 式，得出： 仃v2 显然，颗粒尺寸愈小，体积分数愈高， 粒增强复合材料中颗粒直径为1 - 5 0 t t m ， 0 0 5 0 5 。 1 5 镁基复合材料的制备方法 ( 1 8 ) 颗粒对复合材料的增强效果愈好。一般在颗 颗粒间距为l 2 5 1 m a ，颗粒的体积分数为 1 5 1 传统的制备方法 ( 1 ) 搅拌熔铸法( s t i rc a s t i n g ) 通过机械搅拌或电磁搅拌等方法，使增强相充分弥散到镁基熔体中，最终浇注或挤 压成形的工艺方法【3 4 1 。根据铸造时金属形态的不同可分为全液态搅拌铸造( 在液态金属 中加入增强相；搅拌一定时间后冷却) 、半固态搅拌铸造( 在半固态金属熔体中加入增强 相搅拌一定时间后冷却) 和搅熔铸造( 在半固态金属中加入增强相，搅拌一定时间后升温 a 1 t 一b 增强镁合金组织性能的研究 至a z 3 1 镁合金液相线温度以上，并搅拌一定时间后冷却) - - 种。搅熔铸造法制各的复合 材料，在颗粒分布和气孔率方面优于全液态铸造和半固态铸造方法。运用搅拌铸造法可 以制备出颗粒或晶须增强镁基复合材料。机械搅拌法适合制备增强体量较高的复合材料 ( 可达3 0 ) ，得到的复合体有时需要进一步的挤压以降低其空隙率、改善微观结构以及使 增强体分布均匀。通常以a z 3 l 、z c 6 3 、c p m g ( 化学纯级镁) 、z c 6 3 、z c 7 1 和a z 9 1 作为 基体的镁基复合材料都是采用该法制备的【3 引。 搅拌铸造法特点：设备简单，生产效率高，但铸造气孔较多，颗粒分布不均匀，易 偏聚。目前发展比较成熟的金属基复合材料的制备方法中，搅铸法是最经济的一种。然 而，至今还无报道此法可用来大量生产镁基复合材料。 ( 2 ) 挤压铸造法( s q u e e z ec a s t i n g ) 挤压铸造法( 又称压铸法) 【3 6 】通常先将增强体( 粉末或纤维晶须) 预先形成后放入到 铸模中，再将熔化的镁合金放入其中，然后在高压下固化。该工艺分为预制块制备和压力 浸渗两个阶段，使镁合金液在压力下渗入预制块中凝固后形成复合材料。预制块制备的 过程是首先将增强体分散均匀，然后模压成型，最后经烘干或烧结处理使之具有一定的 耐压强度。a z 3 1 镁合金浇铸到模具中的预制块上时，需施加一定压力并保压一段时间以 便合金液充分浸渗到预制块中。目前，很多镁基复合材料如：s i c w m g 、s i c w a z 9 1 、 m 9 2 s i m g 都是使用该方法制备的。 挤压铸造法的特点：工艺简单、成本低、产量高。由于采用高压浸渗，克服了增强 体与基体不润滑的现象，保证了基体与增强体的连接，且消除了气孔，缩孔等铸造缺陷。 但不适合制备形状复杂的零件。 ( 3 ) 熔体浸渗法( m e l ti n f i l t r a t i o n ) 熔体浸渗法1 37 j 按施压方式可以分为压力浸渗、无压浸渗和负压真空浸渗三种。压力 浸渗是先把陶瓷颗粒增强相预制成形，然后将基体熔体倾入，在一定压力下使其浸渗到 颗粒间隙而达到复合化的目的，其特点是可以制备高体积分数复合材料。无压浸渗是熔 融镁合金在惰性气体保护下，不施加任何压力对压实后的陶瓷预制块进行浸渗，从而制 备出陶瓷颗粒增强镁基复合材料。该工艺有许多优点，预制件可预先制成所需形状，渗 入后制品保形性好可获得致密且具有连续显微结构的制品，可具有理想的力学性能，工 艺过程简单，相对成本较低。该技术的关键是寻找理想的陶瓷与金属熔体的结合体系，要 求润湿性好，各自性能好。负压浸渗是靠在陶瓷颗粒预制块下造成的真空产生的负压而 实现熔融镁合金对压实后的陶瓷颗粒预制块的浸渗。通常的做法是将增强体预制块放在 预制模具中，然后抽真空，将高压气体注入熔炼炉床，使熔化金属挤入模腔，浸渗预制块。 熔体浸渗法的特点可以很容易制备出高陶瓷体积含量的镁基复合材料，并且材料可 以获得很高的弹性模量以及极低的热膨胀系数，在电子封装材料领域中很有应用潜力。 大连理工大学硕士学位论文 但也存在一定的问题，如：预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面的反 应等，而且该技术不适合制备形状复杂的零件。 ( 4 ) 粉末冶金法( p o w d e rm e t a l l u r g y ) 粉末冶金法是把均匀混合的陶瓷颗粒或者增强纤维与微细纯净的镁合金粉末进行 机械混合，排列以后，在模中压制，然后加热至一定温度进行烧结，使增强物与镁基体 结合成体形成镁基复合材料的方法【3 7 】。目前，国外大部分镁基复合材料都是用粉末冶 金法制成的，譬如：s i c a z 9 1 、t i 0 2 a z 9 1 、z r 0 2 a z 9 1 、s i c q e 2 2 和b 4 c a z 8 0 等。 其特点是对a z 3 1 镁合金种类和增强体类型以及体积含量没有严格限制，通过粉末 混合工艺可以使陶瓷颗粒在基体中达到分布均匀。但此工艺设备复杂，成本较高，不易 制备形状复杂的零件，而且在生产过程中存在粉末燃烧、爆炸等危险，不易大规模工业 化生产。因此，粉末冶金法没有得到广泛的推广应用【3 6 1 。 1 5 2 新型制备方法 一 ( 1 ) 机械合金化法( m e c h a n i c a la l l o y i n g ) 它是将未加工的粉体在添加或不添加催化剂和不活泼的气氛中进行高能球磨1 3 4 1 。机 械合金化通过不同的元素组分在球磨机内磨球的碰撞挤压下发生强烈的塑性变形，使不 同的元素组分冷焊在一起，随后不断重复发生断裂、冷焊、断裂，使得粉末颗粒总是在最 短的尺度上以新鲜的原子面互相接触，最终实现在熔炼状态下才能达到合金化的目的。 该法制备镁基复合材料常用的增强体包括：硅化物、碳化物、硼化物和氧化物。一些镁 基功能复合材料，如镁基储氢复合材料也是通过机械合金化的方法制备的。 机械合金化的特点是可以制备高强度的镁基复合材料，而且复合材料的晶粒大小、 成分可控，塑性也可以得到提高，所以机械合金化法制各镁基复合材料是研究热点之一， 但是由于镁的活性比较大，在球磨过程中存在镁粉燃烧、爆炸的危险，而且球磨生产效 率低，制备工艺长，成本高，不易制备形状复杂的工件。 ( 2 ) 喷射沉积法( o s p r e yp r o c e s s ) 喷射沉积技术是将熔融的镁或者镁合金液在高压惰性气体射流的作用下分散雾化， 同时将增强相颗粒喷入雾化射流中，使之混合并喷射沉积到经预处理的基板上，快速凝 固形成所需材料。据不同的工艺条件1 3 8 】及工艺要求，可以使其喷射混合物在水冷的金属 型内直接成型( 图1 6 a ) ，或对其喷射物进行连续的轧制( 图1 6 b ) ，还可以在水冷盘上得到 中等尺寸大小的板材( 图1 6 c ) ，也可以喷成铝包覆陶瓷颗粒粉末。用粉末挤压或等静压 成型。野口等采用喷射沉积法制备了碳化硅颗粒增强m g c e 和m g c a 镁基复合材料， v e n ，0 0 n z 制备了s i c p q e 2 2 镁基复合材料【3 9 1 。 a 1 t i - b 增强镁合金组织性能的研究 此法的特点是制备的镁基复合材料中颗粒在基体内均匀分布，晶粒细小，界面清 洁，无偏聚，凝固迅速，但孔隙率较高，需进行二次加工。 ( a )c o )( c ) 图1 6 不同的工艺条件下的喷射沉积法f 3 9 1 ( a ) 喷射在模内( b ) 连续轧制共喷射混合物( c ) 喷射在偏心轮转盘上呈薄板 f i g 1 6s p r a yd e p o s i t i o n si nd i f f e r e n tp r o c e s sc o n d i t i o n s 1 3 9 ( a ) l n j e c t i o ni nt h em o l d ( b ) s p r a ym i x t u r eo fc o n t i n u o u sr o l l i n g ( c ) i n j e c t i o ni n t ot h ep l a t eo i lt h ee c c e n t r i c w h e e l ( 3 ) 原位合成法( i n s i t ur e a c t i o n ) 尽管外加颗粒增强镁基复合材料有时也可以获得较高的性能，但增强相与a z 3 1 镁合 金间润湿性较差，在热力学上处于不稳定状态，且二者密度存在差异，颗粒尺寸小时还 容易导致复合材料制备过程中颗粒偏聚和聚集等，进一步导致镁基复合材料制备困难、 工艺复杂，所获得的复合材料性能与预期性能无法相比，而原位制备方法是有希望改善 这一切的有效方法。原位制备技术的优势在于通过放热反应，在基体内部生成相对均匀 分散的增强体，增强体与基体近似处于平衡状态形成的低能界面，使原位复合材料在本 质上处于稳定状态【4 0 i 。 与传统的外加颗粒复合法相比，该工艺具有如下特点【4 1 4 2 】： 增强颗粒在基体内部原位合成，基体界面结合较好且界面干净。 原位增强颗粒尺寸细小( 一般 9 98 5 w t ) 、纯铝锭( 9 98 5 w t ) 、纯锌锭( 9 99 0 w t ) 、铝锰台金( m n 1 0 w t ) 、杆状a i - 5 t i - i b 中间合金、阻燃剂( 硫磺粉：硼酸= 1 ： 1 ) ( 自配) 以及上海虹光金属熔剂厂生产的镁台金专用覆盖剂( r j - 2 ) 等。制各a i - t i - b 预制 块所用原材料的粒度、纯度及生产厂家如表2 1 所示。 表21 实验所圳原材料 t a b21 e x p e r i m e n t a lr a w m a t e r i a l s 钛粉、铝粉、硼粉颗粒形貌如图21 所示。 图21a 1 t i - b 预制块并元素颗粒形貌 f i g 21 p a r t i c l e sm o r p h o l o g yo f a i - t i bp r e f a b r i c a t e db l o c k ( a ) a ip o w d e r ( b ) bp o w d e r ( c ) t ip o w d e r 大连理工大学硕士学位论文 本试验基体采用纯金属直接配料，自行配置a z 3 1 镁合金。a z 3 1 镁合金的名义成 分如表2 2 所示。 表2 2a z 3 l 镁合金的名义成分 t a b 2 2n o m i n a lc o m p o s i t i o n so fa z 31m a g n e s i u ma l l o y 2 2 增强相和基体的选择 基体、增强体的性能及增强体与基体的良好结合决定复合材料性能，故应根据基材 的种类及复合材料性能要求合理选择增强体。原位反应法制备的复合材料增强相与外加 增强颗粒相比，可供选择的种类比较少。目前，使用比较多的增强颗粒有t i c ，t i b 2 ， b 4 c ，m 9 2 s i 等颗粒。几种增强相的特性如表2 3 所示1 5 ，选择增强体时要考虑增强体 的弹性模量、抗拉强度、硬度、热稳定性、密度、熔点、价格等因素，同时还应满足增 强体与基体间的线膨胀系数和化学反应性相匹配要求。原位反应法生成的t i b 2 硬度高， 耐磨损、耐酸碱、导电性与热稳定性好等优异特性，且t i b 2 晶格排列方式与镁的排列 方式极其相似。因此，作为增强相来说，t i b 2 在与镁的结合上有很大的有利之处。 表2 3 常用颗粒增强体的性能指标1 5 7 】 t a b 2 3p r o p e r t i e so fr e i n f o r c e dp a r t i c l e s 5 7 1 考虑到a z 9 1 铸造镁合金变形能力较差，加入增强颗粒后，其变形能力进一步下降， 且铸态复合材料内部增强颗粒难以均匀分布且存在疏松、多孔等缺陷，所以其断裂强度 和延伸率一般较低。本文后续还要考虑塑性加工对材料的影响，所以a z 3 1 镁合金选择 变形镁合金为最优。变形镁合金中，a z 3 1 镁合金的综合性能较好，应用范围最广，因 此本课题选择变形镁合金a z 31 作为基体。 a 1 t i b 增强镁合金组织性能的研究 2 3 球磨工艺 采用南京大学仪器厂生产的q m 3 s p 4 ( 4 l ) 型行星球磨机进行混粉工作，它的结构示 意图如图2 2 所示。 、4 图2 2 行星式球磨机结构示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a n e t a r yb a l im i l l ( 1 ) s p e e dm o t o r ( 2 ) s m a l lp u l l e y ( 3 ) b e l t ( 4 ) l a r g ep u l l e y ( 5 ) t u r n t a b l e ( 6 ) c e n t r a ls h m o fm i l lt u b e ( 7 ) m i l l i n gt u b e 8 ) c e n t e rp u l l e y ( 9 ) p l a n e t a r yp u l l e y 用精度为o 5 9 的天平称取原料粉末，每次实验的粉末总质量定为2 0 0 9 左右。粉末 球磨前先放入玛瑙研钵中进行手工混合，然后放入真空罐中，罐的体积约为5 0 0 m l ，真 空罐用0 型橡胶圈密封。为避免粉末在球磨过程中与空气反应，通常需要抽真空，然后 通入氩气。真空罐上盖有两个通气的阀门，机械泵抽真空l o m i n 。球磨介质材料为氧化 铝陶瓷球，直径大小不同，大球的直径为2 5 r a m ，小球直径为5 m m ，球料比在1 0 ：1 ， 大小陶瓷球的适当搭配是为了使球磨原料充分分布于磨球与磨球、磨球与球磨罐之间。 球磨到预定的时间后停机取下球磨罐，先放置一天，再取样，让球磨所得的粉末样品有 一个弛豫过程，或发生钝化。若停机后马上在空气中打开真空罐，粉末样品往往会发生 剧烈氧化。 2 4 镁合金及镁基复合材料的制备 2 4 1 镁合金制备工艺 金属型铸造法的熔炼设备为z g - 2 5 a 型井式电阻炉，在高2 0 0 r a m ，直径为8 0 m m 的 低碳钢坩埚中进行熔炼。我们对现有的井式炉进行了部分的改造，在井式炉上添加了搅 拌设备( 如图2 3 a 所示) ，为熔炼过程的搅拌提供了条件，以避免生成的增强相粒子沉淀 及提高增强颗粒在熔体中的均匀性。金属铸模法制备镁合金的实验工艺参数：a 1 5 t i 1 b 大连理工大学硕士学位论文 中间合金加入温度7 4 0 ；搅拌时间2 m i n ，浇注温度7 1 0 ；铸模( 如图2 4 a ) 预热温度 3 0 0 。 软接触电磁连铸熔炼设备原理如图2 3 b 所示。v i v e s 首先提出了关于该技术的观点 【5 引。结晶器内径8 0 m m ，高1 2 0 m m ，外围用冷却水降温。结晶器壁上，沿拉坯方向开有 1 6 条窄缝。窄缝宽度0 3 m m ，高8 0 m m 。这样开缝的结晶器不但具有足够的刚度，而且 可以提高透磁能力。感应线圈是单匝的，内通1 0 k w ，2 5 0 0 h z 的电流。实验工艺参数： 液柱高度4 0 m m ；浇注温度7 1 0 。c ；拉坯速度1 5 m m s ；保护气氛为混合气( 空气+ c 0 2 + 0 4 s f 6 ) 。其中，在连铸过程中，a 1 5 t i 1 b 中间合金在结晶器内以喂丝法加入。 l # ； l 。i | b y e j 卜 l 一i# i ： ： - |i 矗 l l ! ； j ，j ii ?i _ e +， 1 1 图2 3 ( a ) 金属型模铸法熔炼设备( b ) 软接触电磁连铸原理简图 f i g 2 3 ( a ) m e l t i n ge q u i p m e n t so fm e t a ld i ec a s t i n gm e t h o d ( b ) s e h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no fs o f t c o n t a c t e m c 图2 4 金属型铸造法铸模( a ) c o ) f i g 2 4m e l t i n ge q u i p m e n t s ( a ) a n dm o l d ( b ) a 1 t i b 增强镁合金组织性能的研究 2 4 3 镁基复合材料的铸造工艺流程 首先将电阻炉升温到7 0 0 ，再抛撒覆盖剂覆盖坩埚底部，然后将原料镁块放入坩 埚，并在镁块顶部撒上少许覆盖剂，升温加热。等到镁块熔化后，添加合金原料，并升 温到7 8 0 ，将预热后的预制块加入到合金熔体内，保温1 5 m i n 后，快速降温到指定温 度( 半固态温度) 后，在心混合气体保护下进行搅拌，搅拌后，快速升温到7 2 0 。c ，再用 搅拌棒进行搅拌2 m i n ，然后进行a t 气吹气精炼。取出坩埚，浇注到已经预热到3 0 0 的模具( 如图2 4 b ) 中。熔炼过程中用r j - 2 覆盖剂保护，浇注过程中用自配的阻燃剂( 硫 磺粉：硼酸= 1 ：1 ) 保护。 图2 5 为半固态搅拌工艺示意图( 图2 4 为m g a 1 相图，由图知，a z 3 1 固相线温度 为5 5 3 ，液相线温度为6 3 2 c ) 。 八蜘。厅哪把 。口弋。us 图2 5 半固态搅拌工艺图 图2 6m g - a i 二元合金相图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e m i s o l i dm i x i n gp r o c e s s f i g 2 6m g - a ib i n a r ya l l o yp h a s ed i a g r a m 2 4 4 固溶处理 在固溶处理过程中伴随着a m g 基体组织的粗化长大过程，当温度过高或保温时间 过长基体组织的粗化会十分明显，甚至还会出现过烧的现象，这将会恶化合金