（材料学专业论文）镁及镁合金晶粒细化剂的制备及细化机理研究.pdf

， 摘要 i i i ii i ii ii i i ii ii i e ii e i i i i y 17 4 6 6 5 1 摘要 晶粒细化是提高镁合金塑性和延展性的有效方法，寻找一种有效的晶粒细 化剂是拓展镁合金应用的重要途径，开展镁合金晶粒细化剂及其细化机理研究 具有理论和实际意义。 本文以纯镁及a z 3 1 镁合金作为研究对象，制备了a 1 3 t i 3 b 、a 1 5 t i 1 b 、 a l 一5 t i 一0 2 c 、a i 一3 t i 一1 c 及含e - a 1 m n 相的m n - 3 0 w t a 1 晶粒细化剂，利用x 射 线衍射( ) 分析合金组成物相，利用能谱e d s 研究相对应镁合金的晶粒细化 机理。结果表明，纯镁加入砧3 t i 3 b 、a 1 5 t i 1 b 、a 1 5 t i 一0 2 c 和a 1 3 t i 1 c 后， 晶粒细化效果明显，并且在此研究范围内，随着含量的增加，晶粒也越细；含 e - a 1 m n 相的m n - 3 0 w t a l 中间合金对纯镁的细化效果不明显。对a z 3 1 镁合金 加入舢3 t i 3 b 和a l - 5 t i 1 b 后晶粒明显细化，最佳含量均为0 6 ，但a 1 5 t i 1 b 细化效果不如a 1 3 t i 3 b ；对于a z 3 1 镁合金添加0 6 的a 1 3 t i 一1 c 后细化效果 最好，晶粒尺寸为约2 0 0 # m ，x r d 及能谱表明a 1 3 t i 1 c 中间合金中存在与o t - m g 晶格相似的形核质点a 1 4 c 3 物相；对于a z 3 1 合金，添加0 4 含e - a 1 m n 相的 m n - 3 0 w t a 1 中间合金所得到的铸锭的细化效果最好，晶粒尺寸为约4 3 0 # m ， x r d 及能谱表明m n 3 0w t a i 中间合金中存在与a - m g 晶格相似的形核质点 e - a 1 m n 物相。 关键词：镁及镁合金；中间合金晶粒细化剂；细化机理 f a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei m p r o v e m e n to fa b i l i t yo ft h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nf o rt h em a g n e s i u ma l l o y s t h o u g ht h ee x t e n s i v eu s eo fw h i c hh a sb e c o m ea l li r r e v e r s i b l et r e n di ss t i l lak e yi s s u e i ti ss h o w ni nt h ep r a c t i c et h a tt h ef i n ee q u i a x e dg r a i n sc a l li m p r o v et h ea b i l i t yo ft h e p l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h em a g n e s i u ma l l o y s ；a n dt h i st u r n so u tt h a t i ti s v e r y i m p o r t a n tt of i n dap r a c t i c a la n de f f e c t i v er e f i n e rf o rt h er e f i n e m e n to ft h e i rg r a i n i nt h i sp a p e r , i tt a k e st h ep u r em a g n e s i u ma n da z 31m a g n e s i u ma l l o ya si t s s u b j e c t sf o rt h es t u d y i tp r e p a r e st h em n - 3 0 w t a ii n t e r a l l o yt h a tc o n t a i n s - a 1 m n p h a s ea sw e l la st h ea i 一3 t i 一3 b ，a 1 5 t i 一1 b ，a i - 5 t i 0 2 c ，a i 一3 t i 一1 c f u r t h e r m o r e ，i t m a k e sa na n a l y s i so fc o m p o s i t i o n a lp h a s eo ft h e s ea l l o y sw i t hx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a l s o ，b yu s i n ge d s ，i ts t u d i e st h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s mo f r e f i n e m e n to f m a g n e s i u ma l l o yg r a i n t h er e s u l t ss h o w st h a tr e f i n i n ge f f e c tf o rt h eg r a i ni so b v i o u s w h e na 1 3 t i 一3 b ，a 1 5 t i 一1b ，a 1 5 t i 一0 2 co ra 1 3 t i - lci sa d d e di n t ot h ep u r e m a g n e s i u m ；t h em o r et h ep r o p o r t i o n , t h ef i n e rt h eg r a i n sa l e h o w e v e r , t h e m n 一3 0 w t a ii n t e r a l l o yw h i c hc o n t a i n st h ee - a 1 m np h a s eh a sl i t t l ee f f e c tt ot h e r e f i n e m e n to fp u r em a g n e s i u m f o rt h ea z 31m a g n e s i u ma l l o y , a i 一3 t i 一3 ba n d a 1 5 t i 1 ba r es i g n i f i c a n tf o rt h eg r a i nr e f i n e m e n t ；b o t ho ft h eo p t i m a lr a t i o sw e r e 0 6 ；w h i l et h ea 1 5 t i - 1 bi sn o ts t ) s i g n i f i c a n ta st h ea 1 - 3 t i 一3 b 0 6 o ft h e a 1 3 t i - 1ci st h em o s ts i g n i f i c a n tf o rt h eg r a i nr e f i n e m e n to ft h ea z 31m a g n e s i u m a l l o y , w h i c hi s2 0 0 # m x r da n de d ss h o wt h a tt h e r ei s ，i nt h ea 1 - 3 t i - 1 ci n t e r a l l o y , t h en u c l e a t i o nm a s sp o i n ta 1 4 c 3p h a s ew h i c hi ss i m i l a rt oo t - m gc r y s t a ll a t t i c e f o r a z 31a l l o y , a d d i n g0 4 m n 一3 0w t a 1i n t e r a l l o yt h a tc o n t a i n se - a 1 m n p h a s ew o u l d o b t a i nt h eb e s tr e f i n e m e n t ，t h a ti s4 3 0 # m t h r o u g hd e t e c t i n g ，t h ea u t h o rp r e l i m i n a r i l y b e l i e v e st h a tt h i si sb e c a u s et h e r ei st h en u c l e a t i o nm a s sp o i n te - a 1 m np h a s ew h i c hi s s i m i l a rt oa - m gc r y s t a ll a t t i c e k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y s ；g r a i nr e f i n e r ；r e f i n e m e n tm e c h a n i s m i i r 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 镁合金晶粒细化的一般原则2 1 2 1 增大冷却速度2 1 2 2 加强金属液流动3 1 2 3 添加中间合金晶粒细化剂3 1 3 晶粒细化的方法和机理3 1 3 1 含碳中间合金晶粒细化法3 1 3 2 添加含钛、硼的晶粒细化法4 1 3 3 添加碱金属元素晶粒细化法5 1 3 4 添加a 族元素的晶粒细化法5 1 3 5 添加va 族元素的晶粒细化法6 1 3 6 添加稀土和混合稀土的晶粒细化法6 1 3 7 添加准晶合金的晶粒细化法7 1 4 存在的问题及前景展望7 1 5 本课题研究目的一8 第2 章t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化1 0 2 1 前言1 0 2 2 实验方法与过程l o 2 2 1 熔炼1 0 2 2 2 取样。1 1 2 2 3 组织的观测1 1 2 2 4x 射线相分析1 2 2 3 实验结果1 2 2 3 1 中间合金显微组织特征1 2 2 3 2 a 1 3 t i - 3 b 对工业纯m g 的晶粒细化1 3 i 目录 2 3 3a 1 5 t i 一1 b 对工业纯m g 的晶粒细化1 5 2 3 4a 1 3 t i 3 b 中间合金对a z 3 1 的晶粒细化1 8 2 3 5a i 5 t i 1 b 中间合金对a z 3 1 的晶粒细化2 1 2 4 分析与讨论2 4 2 5 本章小结2 5， 第3 章灿t i c 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化2 6 3 1 前言2 6 3 2 实验方法与过程2 6 3 2 1 熔炼2 6 3 2 2 取样。2 7 3 2 3 组织的观测2 7 3 2 4x 射线相分析2 7 3 2 5 扫描电镜观察2 8 3 3 实验结果2 8 3 3 1 中间合金显微组织特征2 8 3 3 2a l - 3 t i - 1 c 对工业纯m g 的晶粒细化2 9 3 3 3a 1 5 t i - 0 2 c 对工业纯m g 的晶粒细化。3 l 3 3 4a 1 3 t i 1 c 中间合金对a z 3 1 的晶粒细化3 4 3 3 5a 1 5 t i 0 2 c 中间合金对a z 31 的晶粒细化3 7 3 4 分析与讨论3 8 3 5 本章小结：4 2 第4 章m n a 1 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化4 3 4 1 前言4 3 4 2 实验方法与过程4 3 4 2 1 制备m n a 1 中间合金4 3 4 2 2 熔炼4 4 4 2 3 取样。4 5 4 2 4 组织的观测。4 5 4 2 5x 射线相分析4 5 i v 目录 4 2 6 扫描电镜观察4 6 4 3 实验结果4 6 4 3 1 中间合金显微组织特征4 6 4 3 2m n - 3 0 w t a 1 中间合金对工业纯m g 的晶粒细化。4 7 4 3 3m n 3 0 w t a l 中间合金对a z 3 1 的晶粒细化4 8 4 4 分析与讨论5 0 4 5 本章小结5 4 第5 章结论5 5 5 1 主要研究结论及成果5 5 5 2 本文的主要创新之处5 6 致 射。5 7 参考文献。5 8 攻读学位期间的研究成果6 2 v ， ， 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料，具有比强度高，比刚度 高，阻尼减震性能好，电磁屏蔽。1 1 + i 4 - 台丹匕k 和机械加工性能优异的特点( 1 1 ，但由于镁具 有密排六方( h c p ) 晶体结构，滑移系少，塑性变形能力差，极大地限制了镁及其 合金材料的应用。研究表明【2 训，细小等轴的晶粒组织能改善镁合金的塑性变形 能力，晶粒细化是改善多晶镁变形结构特征和提高镁合金加工与使用性能的重 要途径之一，因此，镁合金晶粒细化的研究具有非常重要的意义。晶粒细化对 镁合金性能的影响作用主要体现在以下几方面【5 l ： 1 ) 由于镁合金为密排六方晶体结构，室温下只有三个独立的滑移系，合金 的塑性变形能力较差，晶粒大小对力学性能的影响比体心立方或面心立方晶体 结构的合金更为显著，而细小的晶粒则有助于提高合金的力学性能和塑性变形 能力。 2 ) 由于镁合金结晶温度范围宽、热导率较低、体收缩较大，晶粒粗化倾向 严重，并且在凝固过程中易产生缩松热裂等铸造缺陷，而细小的晶粒则有助于 减少热裂和疏松等铸造缺陷，从而使合金的性能得到提高。 3 ) 细小晶粒有助于缩短合金铸态组织中晶界上m g l 7 a l l 2 等合金相在热处理 时的固溶扩散距离，从而使合金的热处理效率得到提高。此外，细小的晶粒还 有助于改善镁合金的耐腐蚀性能和加工性能【6 】。 图1 1 给出了铸造和锻造镁合金中强度和塑性的关系，变形镁合金的强度 和塑性比铸造镁合金的要高，其根本原因是变形镁合金的晶粒要比铸造镁合金 的要细。因此发展镁合金晶粒细化剂非常必要【7 】，本课题正是对常用的m g - a 1 z n 系合金a z 3 1 进行晶粒细化的研究。 根据霍尔配奇( h a l l p e t c h ) 关系式【8 1 ，即屈服点和晶粒大小的关系式： 町= 仃o + k v d r z( 1 1 ) 式中：仉一屈服强度； a r o 、k v 一与材料有关的常数； d - 一晶粒直径。 第1 章绪论 这个关系式可以说明晶粒度与屈服强度的一般关系。 图i i 铸造和锻造镁合金中屈服强度和塑性的关系 与铝晶体相比，镁有较少的滑移系，因而e o s o c o s ) 、的最小值( 多晶体为平 均值) 小于铝的相应值( 此处为滑移面法相与张力轴间的夹角，入为滑移方向与 张力轴间的夹角) 。根据临界切应力定律( s c h m i d 定律) ： 丁：之c o s q ) c o s 入 ( 1 2 )丁= 一 入i1 z 彳 、 式中：f a - 试样拉伸时横截面商店正应力； 丁- 一外力在该滑移面沿滑移方面的分切应力。 相当低的c o s 2 2 ( 质量比) 的中间合金，主要用于工业纯铝及低合金含量铝合金 晶粒细化，最具代表性的是目前发展比较成熟、应用最广泛的a 1 5 t i 1 b 中间合 金；第二类为t i b q 2 的中间合金，主要用于高s i 含量的铸造铝合金晶粒细化， 如a i 3 t i 一3 b 、a i 3 t i 一4 b 中间合金。 镁合金与铝合金在性能和应用上有很多共同点，可以通过总结a l - 1 i b 中间 合金对铝合金的细化及其机理，从而分析a 1 t i b 中间合金对镁合金的细化f 5 1 - 5 2 。 因此本文以镁及a z 3 1 型铸造镁合金为对象，研究灿5 t i 1 b 中间合金和 a 1 3 t i 3 b 中间合金对合金晶粒大小的影响。 2 2 实验方法与过程 2 2 1 熔炼 镁的熔点为6 4 9 c ，热容量和比重较小，活性高，在空气中加热时，易氧 化烧损，在熔融状态下，无熔剂保护时，则会猛烈的燃烧。因此，镁合金在熔 铸过程中必须始终在h g 覆盖剂保护下进行。 1 0 第2 章a 1 1 i b 中间合金对镁及镁合金的品粒细化 1 ) 熔炼采用井式炉，将坩埚预热至暗红色，并在坩埚底部及壁上撒上适量自制 覆盖剂。装入镁锭，再适量撤上一层覆盖剂，调温至7 4 0 。c ，升温使之完全 熔化。 2 ) 加入砧t i b 中间合金。加细化剂时，用钳子其压入熔体下2 3 液面处并来回 晃动直到熔化( 应注意向溶液中撒覆盖剂，防止镁燃烧) ，保温1 0 分钟。 3 ) 把上面熔好的镁合金液浇注到内径为4 0 m m 、高为1 0 0 m m 的钢模中( 钢模温 度1 5 0 ) 。 4 ) 取出浇注好的镁锭，待冷后用砂轮磨边并打上钢印。 2 2 2 取样 浇注后的铸锭高约7 0 m m ，样品取自距底部2 0 m m ( 校加工中心车开) ，具 体取样位置如图2 1 所示。 取样部位 ( a ) 铸锭宏观图( b ) 微观镶嵌样的取样部位 图2 1 取样位置示意图 样品经过6 0 0 # 砂纸粗磨和细砂纸( 嘣、2 撑、钟、甜) 细磨后即可抛光腐蚀 观察晶粒组织与大小。 2 2 3 组织的观测 ( 1 ) 宏观组织的观察 将制得的宏观试样采用3 硝酸酒精腐蚀后采用n i k o n 4 5 0 0 全自动数码相 机摄像并观察其晶粒大小，晶粒大小的检测依据国标g b t4 2 9 7 1 9 8 4 。 ( 2 ) 微观组织的观察 将制好的微观试样采用腐蚀剂( 苦味酸5 9 ，醋酸5 9 ，蒸馏水1 0 m m ，乙醇 1 0 0 m m ) 腐蚀后，在金相显微镜( 型号为x j l 0 3 ) 下观察区铸态组织。 第2 章a 1 t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 2 2 4x 射线相分析 物相的测定利用x 射线衍射法进行，参与衍射的材料表面用砂纸磨平，酒 精清洗干净。x 射线衍射仪的型号为：d 8 f o c u s ，扫描角度2 口为2 0 - - 9 0 * ，使 用c u 靶，波长1 5 4 0 5 6 埃，电压3 6 k v ，扫描速度4 度分，步宽0 0 2 度。 2 3 实验结果 2 3 1 中间合金显微组织特征 图2 2 是a 1 t i b 中间合金的x r d 衍射图。由图可知，a 1 3 t i 一3 b 的主相 为a l 相，同时存在a 1 8 2 相和t i b 2 相；a i 5 t i 1 b 的主相为朋相，同时存在t i b 2 相和a 1 3 t i 相。 图2 3 是a i t i - b 中间合金的显微组织。图2 3 ( a ) 是a i 3 t i 3 b 中间合金的 组织，合金由基体a - a l 、a 1 8 2 相和t i b 2 组成，t i b 2 呈细小均匀分布，李建国等 【5 3 侧利用x 射线在( a l ，h ) b 2 颗粒的( 1 1 0 ) 面进行慢速扫描时，发现a 1 8 2 相的衍射 峰与t i b 2 的衍射峰相同，从而证明a 1 3 t i 3 b 中存在a 1 8 2 相，而a i 5 t i 1 b 中 不存在a 1 8 2 相。图2 3 ( b ) 是a 1 5 t i 1 b 中间合金的组织，合金由基体a - a l 、3 t i 和t i b 2 组成，a 1 3 t i 以不规则的片状存在，分布较均匀，这与文献1 5 5 1 的结果相符 合。 ： 趸 量 姜 垄 石 图2 2 朋1 i b 中间合金的x r d 衍射图 ( a ) a i - 3 t i - 3 b ( b ) a 1 5 t i b 1 2 第2 章a 1 t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 图2 3 - t i b 中间合金的显微组织图 ( a ) a 1 3 t i - 3 b ( b ) a 1 - 5 t i 1 b 2 3 2a 1 3 t i 3 b 对工业纯m g 的晶粒细化 图2 4 是添加量为0 ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和0 8 w t 的a 1 3 t i 3 b 中 间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 。c ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时间0 0 r a i n ) 的条件 下细化工业纯镁后的宏观组织。图2 5 是砧一3 t i 一3 b 对纯镁晶粒尺寸的影响。 由图可知，未细化的工业纯镁试样宏观组织为柱状晶和等轴晶。当a 1 3 t i 3 b 中间合金的添加量为0 2 w t 时试样宏观组织为柱状晶和少量的等轴晶，等轴晶 区晶粒尺寸约为1 5 8 0 # m ，细化效果较差；当a 1 3 t i 3 b 中间合金的添加量增为 0 4 w t 时试样宏观组织由等轴晶和少量柱状晶组成，等轴晶区晶粒尺寸约为 7 5 0 # m ，细化效果一般；随着a 1 3 t i 3 b 中间合金的添加量的增加，试样的柱状 晶区消失，晶粒尺寸急剧减小。当a 1 3 t i 3 b 中间合金的添加量为0 6 w t 时试 样宏观组织为等轴晶，晶粒尺寸约为4 7 6 # m ，晶粒细化效果最好。但是，当 a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量增为0 8 w t 时晶粒尺寸增至8 5 0 # m 。 f a 、 1 3 第2 章砧t i b 中间合金对镁及镁合金的品粒细化 图2 4a i 3 t i 3 b 对工业纯镁宏观组织的影响 ( a ) 工业纯镁( b ) m g + o 2 w t a 1 - 3 t i 3 b ( c ) m g + o 4 w t a i 3 t i 3 b ( d ) m g + 0 6 w t a i - 3 t i 一3 b ( e ) m 譬吣8 w t a i - 3 t i - 3 b 暑 - t k 黧 略 图2 5a 1 - 3 t i 3 b 对纯镁晶粒尺寸的影响 图2 6 是添加量为0 ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和0 8 w t 的a 1 3 t i 一3 b 中间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 c ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时间( 1 0 r a i n ) 的条 件下细化工业纯镁后的显微组织。由图可见，未细化的工业纯镁试样晶粒较大； 随着a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量的增加，工业纯镁的晶粒尺寸逐渐减小，当中 间合金灿3 t i 3 b 添加量为0 6 w t 时晶粒最小，但分布不均匀；随着a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量的增加，晶粒变大。 1 4 第2 章a 1 t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 图2 6a 1 3 t i 3 b 对工业纯镁显微组织的影响 ( a ) 工业纯镁( b ) m g + 0 2 w t a i 一3 t i 3 b ( c ) m g + 0 4 w t a i - 3 t i - 3 b ( d ) m g + o 6 w t a 1 3 t i 一3 b ( e ) m g + 0 8 w t a 1 - 3 t i 3 b 2 3 3a 1 5 t i 一1 b 对工业纯m g 的晶粒细化 图2 7 是添加量为0 ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和o 8 w t 的a 1 5 t i l b 中 第2 章a l - t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 。c ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时间( 1 0 m i n ) 的条件 下细化工业纯镁后的宏观组织。图2 8 是a 1 5 t i 1 b 对纯镁晶粒尺寸的影响。 由图可知，未细化的工业纯镁试样宏观组织为柱状晶和等轴晶。当a 1 5 t i 1 b 中间合金的添加量为0 2 w t 时试样宏观组织为柱状晶和少量的等轴晶，等轴晶 区晶粒尺寸约为8 1 0 , t m ，细化效果相对a 1 3 t i 3 b 来说较差：随着a 1 5 t i 1 b 中 间合金的添加量的增加，试样的柱状晶区消失，晶粒尺寸急剧减小。当a 1 5 t i 1 b 中间合金的添加量增为0 4 w t 时试样宏观组织全为等轴晶，等轴晶区晶粒尺寸 约为3 7 0 t m ，晶粒细化效果最好；但是，随着灿5 t i 1 b 中间合金添加量的继续 增加，晶粒变大，细化细化效果比舢3 t i 一3 b 差。当a 1 5 t i 1 b 中间合金的添加 量为0 6 w t 时试样宏观组织为等轴晶，晶粒尺寸约为4 9 0 , t m ，晶粒细化效果变 差：当a 1 5 t i 1 b 中间合金添加量增为0 8 w t 时晶粒尺寸增至5 5 0 , t m 。因此， a 1 5 t i 1 b 中间合金细化工业纯镁的整体效果比灿3 t i 3 b 差。 图2 7a 1 5 t i 1 b 对工业纯镁宏观组织的影响 ( a ) 工业纯镁( b ) m g + o 2 w t a 1 5 t i 1b ( c ) m g + 0 4 w t a 1 5 t i 一1 b ( d ) m g + 0 6 w t a 1 - s t i - 1 b ( e ) m g + o 8 w t 趟- 5 t i 一1 b 1 6 第2 章a l - t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 e j 必 翟 咯 图2 8a l - 5 t i - 1 b 对纯镁晶粒尺寸的影响 图2 9 是添加量为0 ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和0 8 w t 的越5 t i 1 b 中间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 。c ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时间( 1 0 m i n ) 的条 件下细化工业纯镁后的宏观组织。由图可见，未细化的工业纯镁试样晶粒较大； 加入0 2 w t 的a 1 5 t i 1 b 中间合金后晶粒减小，但晶粒分布不均匀；随着 灿5 t i 1 b 中间合金添加量增加到0 4 w t 时，晶粒明显减小，晶粒分布更加均 匀：然而随着a 1 5 t i 一1 b 中间合金添加量增加，晶粒逐渐长大。 1 7 第2 章灿t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 图2 9a 1 5 t i 一1 b 对工业纯镁显微组织的影响 ( a ) 工业纯镁嘞m g + o 2 w t a 1 - 5 t i 一1 b ( c ) m g + 0 4 w t a 1 5 t i 一1 b ( d ) m g + o 6 w t a i - 5 t i 一1 b ( e ) m g + 0 8 w t a 1 5 t i 一1 b 2 3 4 甜- 3 t i - 3 b 中间合金对a z 3 1 的晶粒细化 图2 1 0 是添加量为0 ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和0 8 w t 的筒一3 t i 3 b 中间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时间0 0 r a i n ) 的条 件下细化a z 3 1 后的宏观组织。图2 1 1 是a i 3 t i 3 b 中间合金对a z 3 1 晶粒尺寸 的影响。 由图可知，未细化的a z 3 1 试样宏观组织为柱状晶和等轴晶，等轴晶区晶粒 尺寸约为8 9 0 # m 。当a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量为0 2 w t 时试样宏观组织由等 轴晶和柱状晶组成，等轴晶区晶粒尺寸约为7 1 0 , t m ，细化效果不明显。随着 a 1 3 t i 一3 b 中间合金添加量的增加，试样的柱状晶区消失，晶粒尺寸急剧减小， 当a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量为0 4 w t 时试样宏观组织为等轴晶，晶粒尺寸约 为5 0 0 , t m ，具有明显的细化效果；当a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量为0 6 w t 时试 1 8 第2 章砧t i b 中间合金对镁及镁合金的品粒细化 样宏观组织为等轴晶，晶粒尺寸约为3 7 0 肛m ，细化效果最好。但是，当a 1 3 t i 一3 b 中间合金添加量增为o 8 w t 时试样宏观组织由等轴晶和柱状晶组成，等轴晶区 晶粒尺寸增至5 8 8 肛m 。 图2 1 0a 1 t i b 细化a z 3 1 镁合金宏观晶粒图 ( ( a ) a z 3 1 ( b ) a z 3 1 + 0 2 w t a 1 3 t i - 3 b ) a z 3 1 + 0 4 w t a i - 3 t i 3 b ( d ) a z 3 1 + 0 6 w t a 1 3 t i 3 b ( e ) a z 3 1 + 0 8 w t m 3 t i 3 b g 二 = 斗 黧 略 图2 1 la 1 3 t i 3 b 对a z 3 1 晶粒尺寸的影响 第2 章a l _ t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 图2 1 2 是添加量为o ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和0 8 w t 的a i 一3 t i - 3 b 中间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 c ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时$ - ( 1 0 m i n ) 的条 件下细化a z 3 1 后的微观组织。由图可知，a z 3 1 合金的显微组织由基体m g 和沿晶界分布的m 9 1 7 a 1 1 2 相组成。加入0 2 w t 的砧一3 t i 一3 b 中间合金后，晶粒 仍然较大；随着a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量的增加，晶粒明显变小，当a 1 3 t i 一3 b 中间合金添加量为0 6 w t 时，a z 3 1 合金中分布着若干细小的晶粒，细化效果达 到最佳；然而当a 1 3 t i 3 b 中间合金添加量继续增加时，晶粒增大。 ( c ) + ；* 伽 2 蠢一j 留弋 霉 ：。4 ； 赫毒每0 t ，瀚，： 零爨毒毒i 零勰i 嚣乞黟毫 舞缝嚣骛，臻? 篓翟；乏二 纂警罄 嗽强：歌。? 4 一线_ 哆舅 o ：j 。瓤荔：。：甾 卫茹0 0 篇篇 甄一 镰。o一 _ # ， 。，磊 字移孓一 一 黪。 _口， 。$ ￥ l 落_ 一 麓；濞 第2 章a l _ t i b 中间合金对镁及镁合金的品粒细化 图2 1 2 灿- t i - b 细化a z 3 1 镁合金显微组织图 ( a ) a z 3 1 ( b ) a z 3 1 + 0 2 w t a l 一3 t i - 3 b ( c ) a z 3 1 + 0 4 w t a i - 3 t i 一3 b ( d ) a z 3 1 + 0 6 w t 朋3 t i - 3 b ( e ) a z 3 1 + 0 8 w t l l 一3 t i 3 b 2 3 5a 1 5 t i - i b 中间合金对a z 3 1 的晶粒细化 图2 1 3 是添加量为o ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和0 8 w t 的触5 t i 一1 b 中间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时间( 1 0 m i n ) 的条 件下细化a z 3 1 后的宏观组织。图3 1 4 是a 1 5 t i 1 b 对a z 3 1 晶粒尺寸的影响 由图可知，未细化的a z 3 1 试样宏观组织为柱状晶和等轴晶，等轴晶区晶粒 尺寸约为8 9 0 # m 。当舢5 t i 1 b 中间合金添加量为0 2 w t 时试样宏观组织由等 轴晶和柱状晶组成，等轴晶区晶粒尺寸约为6 2 0 # m ，细化效果不明显。随着 a 1 5 t i 1 b 中间合金添加量的增加，试样的柱状晶区消失，晶粒尺寸急剧减小， 当触5 t i 1 b 中间合金添加量为0 4 w t 时试样宏观组织为等轴晶，晶粒尺寸约 为5 8 8 t m ，具有明显的细化效果；当触一5 t i 一1 b 中间合金添加量为0 6 w t 时试 样宏观组织为等轴晶，晶粒尺寸约为4 1 0 # m ，细化效果最好。但是，当灿5 t i 1 b 中间合金添加量增为o 8 w t 时晶粒尺寸增至4 7 6 # m 。由此可知，a i 5 t i 1 b 中 间合金对镁及镁合金的细化效果较a i 3 t i 一3 b 中间合金差。 2 1 第2 章a l - t i - b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 ( a 、 一。* ”一 + 嚣 ，* r b 、 图2 1 3 灿- t i - b 细化a z 3 1 镁合金宏观晶粒图 ( ( a ) a z 3 1 ( b ) a z 3 1 + 0 2 w t 砧- 5 t i 1 b ( c ) a z 3 1 + 0 4 w t a i - 5 t i - 1 b ( d ) a z 3 1 + 0 6 w t a i - 5 t i l b ( e ) a z 3 1 + 0 8 w t 砧- 5 t i - 1 b 量 j k 黧 嚯 细化剂添加量w l 图2 1 4a i 5 t i 1 b 对a z 3 1 晶粒尺寸的影响 图2 1 5 是添加量为0 ，0 2 w t ，0 4 w t ，0 6 w t 和0 8 w t 的a i 一5 t i 1 b 中间合金在相同熔炼温度( 7 4 0 。c ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时f a j ( t o m i n ) 的条 件下细化a z 3 1 后的宏观组织。由图可知，a z 3 1 合金的显微组织由基体供m g 第2 章a 1 t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 和沿晶界分布的m g l 7 a l i 2 相组成，随着a 1 5 t i 一1 b 中间合金的加入，晶粒逐渐减 小，晶粒分布更加均匀，晶界更加清晰。 图2 1 5 砧- t i b 细化a z 3 1 镁合金显微组织图 ( ( a ) a z 3 1 ( b ) a z 3 1 + o 2 w t a 1 5 t i 一1 b ( c ) a z 3 1 + 0 4 w t 舢一5 t i 一1 b ( d ) a z 3 1 + 0 6 w t a 1 - 5 t i 一1 b ( e ) a z 3 1 + 0 8 w t a i - 5 t i 一1 b 2 3 第2 章a l - t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 2 4 分析与讨论 图2 1 6 是在相同熔炼温度( 7 4 0 。c ) 、相同冷速( 空冷) 、相同保温时间( 1 0 m i n ) 的条件下，未细化的工业纯镁和纯砧、a 1 3 t i 3 b 和a 1 5 t i 一1 c 细化工业纯镁后 的宏观组织。 由图可知，未细化的工业纯镁试样宏观组织为柱状晶和等轴晶；添加 0 5 4 w t 的a l 后，工业纯镁的宏观组织为柱状晶和等轴晶，等轴晶区晶粒尺寸 为8 6 0 # m ，细化效果一般；添加0 6 w t 的a i 一3 t i 3 b 后，工业纯镁的宏观组织 由等轴晶区组成，等轴晶区晶粒尺寸约为4 7 0 # m ，具有明显的细化效果；添加 0 6 w t 的a 1 5 t i 1 b 后，工业纯镁的宏观组织均为等轴晶，晶粒尺寸约为4 9 0 p x n ， 细化效果较好。因而可以判断，当浇铸条件相同时，a i 3 t i 3 b 和灿5 t i 1 b 对 工业纯镁具有更好的晶粒细化效果，尤其是a 1 3 t i 3 b 对镁及镁合金的细化效果 明显。 ( a ) m g ( b ) m 咖5 4 w t a i ( c ) m g + 0 6 w t a i - 3 t i 一3 b ( d ) m g + 0 6 w t a i - 5 t i - 1 b 关于灿t i b 中间合金对镁合金的晶粒细化机理，是由于灿一t i b 中t i b 2 的晶格点阵类型为密排六方结构，晶面与o t - m g 的晶格点阵类型相同。t i b 2 的晶 格点阵常数c e = = 0 3 0 3 0 n m ，a , - m g 的晶格点阵常数c t = 0 3 2 0 9 n m 。二者的错配度： 第2 章a 1 t i b 中间合金对镁及镁合金的晶粒细化 a s = 0 0 1 7 9 0 3 2 0 9 1 0 0 = 5 8 ( 2 1 ) a - m g 和t i b 2 的晶格点阵常数相差很小而且晶格类型相同，根据结构和尺寸 相适应原理，液态镁很容易在t i b 2 上直接形核。 根据文献【5 6 】提供的t i b 2 ，a i b 2 和灿3 t i 的形成自由能数据，得知形成t i b 2 相的自由能最低。因此，从热力学角度考虑，形成t i b 2 相的热力学趋势最大， 形成的t b 2 相也最稳定。a 1 t i b 加入镁合金熔体后，在熔体中形成大量高熔点 的t i b 2 质点，剩余的b 原子与a l 反应生成a i b 2 相。由于a 1 8 2 与t i b 2 的晶格 类型相同，又具有很好的共格关系，这样在熔体中形成的a 1 8 2 颗粒与t i b 2 颗粒 就可能生长在一起。在随后的凝固过程中作为供m g 的异质晶核，使得f i t - m g 细 化。对于不能作为c t - m g 相异质形核核心的那部分t i b 2