（材料加工工程专业论文）强静磁场作用下mgal合金固态相变研究及az31镁合金挤压工艺开发.pdf

上海交通大学博士后研究工作报告摘要 强静磁场作用下m g a i 合金固态相变研究 及a z 3 1 镁合金挤压工艺开发 摘要 现有铸造镁合金强度不超过3 0 0 m p a ，变形镁合金强度不超过4 0 0 i p a ，制约着 _ 其更大规模的瘦甩。搴文研究强静磁场作用下m g a l 系合金扩散、固溶、时效和 退火等固态褶变规禧，为探索提高m g ，a 1 系合会析出强化效果的有效途径奠定基 础。同时针对镁合会变形困难、形变产品少的现状，以管材为例，在8 0 0 挤压机 上开发a z 3 l 镁合金挤压工艺。 研究了强静磁场作用下m g a i 扩散偶中间相层成长舰律，结果表明，随着退 火温度的升高或者时间的延长，有、无强静磁场的作用下m g a 1 扩散区内的两个 中剧相层p 和7 的厚度均增加，而且成长过程符合抛物线长大规律，但是强静磁 场作用下1 3 相层与y 相层厚度均比常规退火处理相层的厚度要小，并且随着磁场 强度的增加而减小，说明强静磁场对扩散有一定的抑制作用。磁场方向对界面中 问相层的成长没有明显影响。与常规退火处理相比，强静磁场m g a i 扩散区y 和 b 相层的成长激活能变化不明显，但是成长常数明显减小，并且随磁场强度的增 加，成长常数减小的趋势越明显。 研究了强静磁场作用下m g 9 a 1 。1 z n 合盒固溶和时效处理的组织性能演变规 律，结果表明在周溶处理的前期，强静磁场处理试样比常规处理贱斟更多的离异 共晶第二相，而且离异共品相的量随着磁场强度增加而增多。强静磁场固溶处理 后的晶粒尺寸比常规处理的要小，而且随着磁场强度的增加晶粒尺寸减小。与常 规时效处理相比，强静磁场时效处理加速了非连续析出相的析出，增加了连续析 出相的形核率，连续析出相更加细小化和均匀化，得到更高的时效硬化曲线峰值。 研究了强静磁场作用下m g 一3 a i i z n 合金挤压、热轧、冷轧和等通道剪切等方 上海交通大学博士后研究工作报告摘要 式变形后退火处理的晶粒长大规律，结果表明与常规退火处理相比，强磁场退火 处理可以延缓晶粒的长大。 利用g l e e b l e 热压缩实验模拟m g - 3 a i - 1 z n 合余挤压过程，根据应力应变曲线， 建立变形本构方程，计算获得了变形激活能，并构建了管材的挤压极限图。在挤 压极限图容许的工艺范围内，在8 0 0 t 挤压上开发了外径为4 0 m m 的无缝管的挤压 工艺。研究了挤压温度，变形速率和挤压比等工艺参数对微观组织、性能的影目向 规律，获得了最佳的挤压工艺参数。最后成功开发了一些a z 3 1 镁合金型材和板 槠的挤压工艺。 关键词：m g - a l 合金，强静磁场，扩散，凰溶、时效、退火，挤压极限图，挤压 _ z z ， 上海交通大学博士后研究工作报告 a b s t r a c t s t u d y o ns o l i d - s t a t ep h a s ec h a n g e so fm g - a 1a l l o y su n d e r as t a t i cs t r o n gm a g n e t i cf i e l da n dd e v e l o p m e n to f e x t r u s i o np r o c e s so fa z 31a l l o y a b s t r a c t c u r r e n t l y , a st h et e n s i l es t r e n g t ho fc a s ta n dw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sa r es t i l l b e l o w3 0 0a n d4 0 0 m p ar e s p e c t i v e l y , e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fm ga l l o y si sg r e a t l y r e s t r a i n e d i nt h i s p a p e r , s t u d i e so na t o md i f f u s i o nb e h a v i o r , s o l u t i o na n da g i n g t r e a t m e n t ，a n da n n e a l i n go fm g a 1u n d e ras t r o n gs t a t i cm a g n e t i cf i e l dw e r ec a r r i e do u t i no r d e rt oe x p l o r ea ne f f i c i e n tm a g n e t i ch e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，i nw h i c ht h eo b j e c ti st o e n h a n c et h ea g i n gs t r e n g t h e n i n gi nm g a ia l l o y s a l s o ，e x e m p l i f i e db ye x t r u d i n ga z 31 m a g n e s i u ma l l o yt u b e s ，t h ee x t r u s i o np r o c e s so fa z 3 lm a g n e s i u ma l l o y si sd e v e l o p e d i na n8 0 0 te x t r u d e r ，t h u st h ea p p l i c a t i o no fw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yp r o d u c t sm a yb e e x p a n d e db yp r o v i d i n gm o r ew r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yp r o d u c t sf o rt h em a r k e t t h ei n t e r m e d i a t ei n t e r p h a s eg r o w t hi nm g a ic o u p l ep l a t e sw a ss t u d i e dw i t ht h e p r e s e n c eo fas t r o n gs t a t i cm a g n e t i cf i e l d t h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e rb e i n ga n n e a l e d w i t ha n dw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ，t h e r ea r et w oi n t e r m e d i a t ei n t e r p h a s e s ，i e 口( a 1 3 m 9 2 ) a n dy ( m g l v a lx 2 ) i n s i d et h ei n t e r f a c eo ft h em g a ic o u p l ep l a t e s ，a n dt h e i rt h i c k n e s s e s i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n d o rt i m e d a t aa n a l y s i sp r o v e s t h a tt h e i rg r o w t ho b e yp a r a b o l i cl a w w i t ht h ea p p l i c a t i o no fs t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，t h e t h i c k n e s s e so fb o t hi n t e r m e d i a t ep h a s e sa r el e s st h a nt h a ta n n e a l e dw i t h o u tm a g n e t i c f i e l d ，t h es t r o n g e rt h em a g n e t i cf i e l d ，t h es m a l l e rt h et h i c k n e s s t h i sm e a n st h es t r o n g s t a t i cm a g n e t i cf i e l dh a sar e t a r d a n te f f e c to nd i f f u s i o np r o c e s s h o w e v e r , e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i r e c t i o no fm a g n e t i cf i e l dh a sa l m o s tn oi n f l u e n c eo nt h eg r o w t h r a t eo fi n t e r m e d i a t ei n t e r p h a s e s i ti sa l s of o u n dt h a tt h eg r o w t hr a t ec h a n g ei s m a n i f e s t e dt h r o u 曲ac h a n g ei nt h ep r e - e x p o n e n t i a lf r e q u e n c yf a c t o r b u tn o tt h r o u g h v 上海交通大学博士后研究工作报告a b s t r a c t ac h a n g ei nt h ea c t i v a t i o ne n e r g yq w i t ht h ei n c r e a s eo fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , t h e p r e e x p o n e n t i a lf r e q u e n c yf a c t o rk ob e c a m es m a l l e re v i d e n t l y m i c r o s t r u c t u r e sa n dv i c k e r sh a r d n e s so fm g - 9 a i - 1 z na f t e rs o l u t i o na n da g i n g t r e a t m e n tu n d e ra s t r o n gs t a t i cm a g n e t i cf i e l dw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta tt h e b e g i n n i n go ft h es o l u t i o nt r e a t m e n t ，t h o s es a m p l e sw i t hm a g n e t i cf i e l dh a v em o r e m g t t a l l 2d i v o r c e de u t e c t i cp h a s et h a nt h o s ew i t h o u tm a g n e t i cf i e l d i ti sa l s of o u n dt h a t t h eq u a n t i t yo f t h eu n s o l u t i o n e dp h a s ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y u n d e rt h em a g n e t i cf i e l dg r a i n sg r o ws l o w e rd u r i n gs o l u t i o nt r e a t m e n ta n dt h e h i i g h e r t h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ，t h es m a l l e rt h eg r a i ns i z e c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l a g i n gt r e a t m e n t ，t h ed i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o ni sa c c e l e r a t e db yt h em a g n e t i cf i e l d ，a n d - n u c l e a t i o nr a t eo fc o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o ni sa l s oi n c r e a s e dr e s u l t i n gi nam o r er e f i n e d p r e c i p i t a t ed i s t r i b u t i o na n dah i g h e ra g i n gh a r d e n i n gp e a k t h eg r a i ng r o w t hd u r i n ga n n e a l i n gt r e a t m e n to fm g - - 3 a i - 1 z na f t e rd e f o r m a t i o n s u c ha se x t r u s i o n ，h o tr o l l i n g ，c o l dr o l l i n ga n de c a ew e r es t u d i e du n d e ras t r o n gs t a t i c m a g n e t i cf i e l d i ti sf o u n dt h a tg r a i ng r o w t hi sa l s or e t a r d e dw i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h e m a g n e t i cf i e l d b ys i m u l a t i n g t h ee x t r u s i o n p r o c e s s o fa z 31 t h r o u g ht h e r m o c o m p r e s s i o n e x p e r i m e n to nag l e e b l em a c h i n e ，t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，d e f o r m a t i o na c t i v a t i o n e n e r g ya n dt u b ee x t r u s i o nl i m i tm a pw e r eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h es t r a i n - s t r e s sc u r v e s i nt h es u i t a b l er a n g ed e s c r i b e db yt h ee x t r u s i o np r o c e s sl i m i tm a p ，a ne x t r u s i o np r o c e s s f o rs e a m l e s st u b ew i t had i a m e t e ro f4 0m mw a sd e v e l o p e d t h ei n f l u e n c eo fe x t r u s i o n t e m p e r a t u r e ，d e f o r m a t i o n r a t ea n dd e f o r m a t i o nr a t i oo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e sw e r es t u d i e da n dt h eo p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r ea l s oo b t a i n e d a d d i t i o n a l l y , s o m ep r o c e s st om a n u f a c t u r ea z 3 1s e c t i o n sa n dp l a t ew e r ed e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：m g a ia l l o y ，s t r o n gs t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，d i f f u s i o n ，s o l u t i o n ，a g i n g ， a n n e a l i n g ，e x t r u s i o nl i m i tm a p ，e x t r u s i o np r o c e s s v i 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 镁及镁合金的基本性质 镁元素在地壳中有丰富的含量，仅次于铝、铁、钙、钠、钾，约占地壳重量 的2 7 。此外，占地球表面积7 0 的海洋也是一个天然的镁资源宝库，据测算，每 立方米的海水中约含有1 3 k g 的镁。仅死海一处的镁，若得到全部开发的话，就可 供人类使用2 2 ，0 0 0 年【l 孙。因此，镁的丌发与应用对人类有着重要的意义。 镁为元素周期表第1 i 族化学元素，原予序数1 2 ，原子量2 4 3 0 5 ，银白色，密排 六方晶格，无同素异构转变，在现有的工程应用会属中镁的密度最小，为1 7 4 9 c m 3 ， 熔化点为6 4 9 。c ，与铝的熔点相近【3 j 。镁合余足现有工业应用合金中比重最轻的材 料，密度通常在1 7 5 1 8 5 9 c m 3 之间。其比重约为铝合会约的2 3 ，锌合余及钢的1 3 ， 镁合金的比强度和比刚度高于铝合舍和钢，其疲劳强度甚至高于铝合会【4 1 鄂。与工 程塑料相比，镁合金比重稍高于工程塑料，工程材料尤其是纤维增强塑料的比强 度更高，但其弹性模量很小，比刚度远小于镁合会，且工程塑料难以回收。同时， 镁合会具有高阻尼性能、优良的电磁屏蔽性能和良好的切削加工性能【6 l 。 1 2 常用镁合金及其强化机制 纯镁很少用于结构件，用于结构件的几乎全是以镁为基体的台会材料。这些 材料经过合会元素的固溶强化、沉淀强化及弥敞强化机制，获得了适于工程用的 各种台金 7 1 2 】。 1 2 1 常用镁合金 常用的镁合金大致分为四类： ( 一) m g - a i ( - x ) 系合金 这类合金中a 1 为主加元素，有时辅加了一定量的z n 、l i 、m n 和r e 等元 素以进一步提高室温力学性能和高温性能，它们的铸态组织大都含有共晶相。 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 m g = a i z n 系合金是开发最早且运用最广泛的一个合会序列，较典型的有a z 9 1 和a z 3 1 合金。a z 9 1 合金室温强度较高且铸造工艺性能良好，如在熔炼过程中 进行精炼，其室温铸态抗拉强度可达2 7 0 m p a 左右( 未精炼压铸态抗拉强度为 2 3 0 m p a 左右) 。孩合会经时效后，强度可进一步提高。该合会中a i 元素的含量 高达9 w t 左右，在未进行均匀化处理情况下其时效析出相主要以非连续形式析 出。在工业生产中可见到a z 9 i a 和a z 9 1 b 这两个牌号，其中a z 9 1 b 合金对c u 含量控制较宽松，而两者在机械性能没有明显差别，只是后者的防腐蚀能力较差。 将a z 系合金中的a l 含量降低至3 w t 左右便可得到a z 3 1 合余，该含会挤压性 能良好。室温下a z 3 1 b 和a z 3 i c 两种合会挤压后的抗拉强度为2 6 0 m p a ( 挤压 棒) 2 9 0 m p a ( 板状) ，拉伸态屈服强度为2 0 0 m p a ( 挤压棒) 2 2 0 m p a ( 板状) ， j 面压缩态屈服强度仅有9 7 m p a ( 挤压棒) 18 0 m p a ( 板状) 。因而挤压镁合会件 不适合承受压力载荷。这两种合会的变形温度也随变形方式的不同而异，a z 3 1 b 合会通常的挤压温度为2 8 8 左右( 挤压时间不宜超过1 小时) ，而轧板的温度 仅为1 6 3 左右( 时问不超过l 小时) 。a m 6 0 合会通常用于生产镁合金压铸件， 该合盒中加入了0 6 w t 的m n 元素，可降低合会中f e 的浓度，并提高基体电位。 由于合余中a l 含量降低，再加上m n 元素对组织的细化及改良作用，使其具有 良好的韧性，采用这种镁合余制造的零部件可用于要求具有一定韧性的场合。 由于工程上的需要，越来越多的镁合金零部件的工作温度需要高于1 2 0 。c ， 因而发展、一些低a l 含量且添加了一些c a , s i 和稀土元素的镁台金牌号，诸如 a s 4 1 ，a s 2 1 等合金。这些合余较a z g l 合金有改善的抗蠕变性能，但由此也导致 了较低的室温强度和流动性。虽然这些合会的抗蠕变性能仍低于a 3 8 0 等铝合金， 由于汽车轻量化的要求，这些合金已经大规模地应用在v o l k s w a g e n 公司的b e e t l e 型发动机上。d o w 公司研制的a e 4 2 合金在低a l 含量的基础上添加了大约2 w t 左右的混合稀土，由此使得该合金的抗蠕变性能得到大幅提升。研究表明其抗蠕 变性能的提高得益于显微组织中杆状a l l1 r e 3 相对晶界迁移的阻碍作用，这种 合金一般用于压铸生产，较高的冷却速度有利于合会的力学性能。 2 ) m g z n ( 。x ) 系合金 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 二元系m g z n 合金虽然可提供较高的抗拉强度和韧性，但是该二元系合金 屈服强度较低，晶粒粗大且铸念显微组织易出现缩孔。因而这类镁合会一般采用 添加z r 元素束细化晶粒，如z k 5 0 ，z k 6 0 合金。z k 6 0 a 合金一般应用于要求高 强度和高韧性的场合，陔合金可热处理强化，通常在t 5 状态下使用，该合金也 可进行挤压变性，使其晶粒进一步细化，屈服强度和抗拉强度进一步提高。z k 2 1 a 和z k 4 0 a 这两种合金强度稍低一些，但较z k 6 0 a 合会容易挤压成形。如果m g z n 系合会中人为地添加一些c u 元素可同时导致韧性和时效强化效果的提高。其中 的一个典型的合会为z c 6 3 ( m g 6 z n 3 c u 0 5 m n ) ，其室温强度与a z 9 1 合会保持在一个水平，同时具有良好的塑性。除此以外这些合金的强度砸保持到 较高的温度，具有一定热稳定性。在m g z n 系合会中加入c u 元素后，还可提 高共晶反应温度。这样可提高固溶温度，以往基体中固溶更多的z n 、c u 元素， 从而产生更显著的时效强化效果。同时m g ，z n 共晶相的形态由离异共品向层片 状变化。 3 ) m g - r e 系合金 除了y 和n d 元素在m g 基体中有着较大的固溶度以外，其他稀土元素在 m g 基体中的固溶度均很小，因而这类合金中通常y ( 钇) 为主加元素。由于 m g y 合金有着较好的时效强化效果，在此基础上又发展一序列的m g y n d z r 合会，该序列合会在温度超过3 0 0 时仍能保证良好的抗蠕变性能，同时由于大 量稀土元素的加入，使得该种合会的高温蒯蚀性能优于其他种高温镁合令。w e 5 4 合金( m g 5 1 y 一3 2 5 r e 一0 5 z r ) 是一种兼具优良高温和室温力学性能的台会， w e 4 3 是它的变化品种，其中的y 含量下降了，但n d 含量提高了。其强度略微 下降，但韧性提高。该系列台会可在铸态和挤压念下使用，一般应用于航空工业。 1 2 2 镁合金主要强化方式 ( - - ) 固溶强化 1 3 - 1 5 】 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 固溶合会是由合金元素完全溶解在基体会属中而形成的。溶质原子在晶格上 替代了基体金属原子，起到了强化的作用。这种强化效果是通过原子错配和溶质 与基体原子之间弹性模量的差异而获得。固溶后的屈服强度的增加将与加入溶质 元素的浓度成二分之一次方比，如图l 一2 a 。 根据h u m e r o t h e y 准则，如果溶剂与溶质原子的尺度差别大于1 5 ，该种溶剂 在此种溶质中的固溶度不会很大。m g 的原子直径为3 2 a ，根据这条准则，与m g 原子大小的有适当比例的元素有l i ，a l ，t i ，c r ，z n ，g e ，y t ，z r ，n b ，m o ，p d ， a g ，c d ，i n ，s n ，t e ，n d ，h f ，w ，r e ，o s ，p t ，a u ，h g ，t l ，p b ，b i 等。如 果某元素与基体有相同的电子价和相似的晶体结拘，这种元素也将有较大的固溶 度，对镁而言只有c d 和z n 。 s o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n l n g a i m g t y 7 “c “ ； 酬讲 s o l u t i o n ：a m g - a i鲨 ( a ) p r e c i p i t a i 、i o nh a r d e n i n g t b l l 1 i 2 a g 6 f ，2 _ + f a ( b ) 图1 2 合金强化机制( a ) 同溶强化，( b ) 沉淀硬化 f i g 1 - 2m e c h a n i s m so fs t r e n g t h e n i n gi na l l o y s ( a ) s o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g ，( b ) p r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g 当然，当以上的准则不满足时，仍有可能具有较大的固溶度。因为电子价低 的金属可以溶解电子价高的元素，反之则不行。这是由于额外电子的加入可以提 高原子间的结合能，从而提高金属结构的稳定性。依据浚原则，在合适的尺度范 围内，二价的镁也可以溶解三价或更高价的元素。但是，随着溶剂价惫的提高( i v - 族) ，溶剂与m g 之间的电化学性质的差异也会增大。在这种情况下，镁中将形 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 成第二相或稳定的化合物而非形成固溶体。 ( 二) 沉淀及时效强化 1 5 椰j 沉淀强化是镁合金强化( 尤指室温强度) 的一个重要机制。在合会中，当合会元 素的固溶度随着温度的下降而减少时，便可能产生时效强化。将具有这种特征的 合会在高温下进行固溶处理，可得到不稳定的过饱和固溶体，然后在较低的温度 下进行时效处理，可产生弥散的沉淀相。促使强化的机理是滑动位错( 如图1 - 2 b ) 与沉淀相相互作用，提高了屈服强度： r 。e l d = ( 2 a g b ) 三+ f 。 其中h d 为沉淀硬化合余的屈服强度，诅为没有沉淀的基体的屈服强度，( 2 a g b ) l 为在沉淀之间弯出位错所需的应力。 但是单单沉淀不能成为强化的足够条件，好的时效强化效果和弥散沉淀相的 大小、形貌、硬度以及它与基体之间界面的性质等因素都密切相关。理想的情况 是得到细小、均匀分靠、与基体呈共格关系且随着温度升高不易相化的沉淀相。 在镁基体中，满足溶解度随温度变化条件的合会系很多。但是，由于m g 原子 半径大，而且沉淀相的晶体结构复杂，使得沉淀相与基体之矧不易存在共格关系。 当温度升高时，沉淀析出相很快就粗化变软，从而逐渐失去强化作用。尽管有些 镁合会可通过时效强化，但其效果比在一些铝合会中所见到的要小得多。 ( 三) 细晶强化 镁合金晶粒粗化倾向性远大于锅台金，铸锭晶粒尺寸大小、形状非常不均匀， 易出现柱状晶和扇形晶，严重影响后续压力加工性能和制品的力学性能。根据 h a l l 。p e t c h 公式，合金的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成正比，而h a l l p e t c h 斜率 k 与t a y l o r 因子m 的平方成正比，t a y l o r 因子m 与材料滑移系成反比，出于六方 结构金属的滑移系少于立方结构金属，六方结构合金的m 值就比面一i i , 和体心立方 台金的大得多，即具有较少滑移系的六方结构余属的晶界对晶粒的滑移变形具有 强烈的阻碍作用，晶粒细化将显著提高镁合金的强度。而且通过细化晶粒，变形 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 过程中除晶粒发生变形拉长外，还会发生显著的晶界滑移、移动和转动，从而塑 性大大提高，甚至获得超塑性。 1 3 镁合金的发展现状 总的说来，现有的铸造镁合金室温强度难以突破3 0 0 m p a ，变形镁合会室温强 度难以突破4 0 0m p a ，成为阻碍镁合会推广应用的瓶颈因素之一。但是，目前出于 能源和环保问题正越来越受到世界各国的重视，所以各国先后推出了各种镁合金 开发应用计划，为镁合金的进一步应用提供了广阔的空削。发达国家2 0 世纪9 0 年 代以来相继出台了多项镁合会研究计划。其中有德国政府出资2 5 0 0 力马克的 m d i c a 镁台会计划、美国的包括镁台会研究的u n c a r 计划、r 本的“先进镁合会 科学技术计划”，以及澳大利亚联邦和州政府提供l 亿澳元支持的镁台会研究开发 工作等。 镁合金的强韧化和腐蚀防护是当前的研究热点和发展方向。据报道胂1 ，在强 韧化方面，同本在2 0 0 1 年采用快速凝固制成的高强镁合会，拉伸屈服强度达 6 0 0 m p a ；英国和美国用喷射沉积法研制出了强度达6 0 0 m p a 的镁合会，达到高强 铝合金的水平。美、法、日等国已获得力学性能ob ，5 4 0 m p a ，oo2 ， 4 8 0 m p a ， 6 6 的新型镁基复合材料。在耐热性能方面，已经开发出使用温度达到2 0 0 。c 的w e 5 4 铸造镁合金。在腐蚀防护方面，德国丌发的m e g o x i d e 涂层，能够将 镁合金的耐腐蚀时间延长到2 0 0 小时，美国丌发的阳极氧化工艺、只本开发的镁 合金阳极氧化含氟聚合物协和涂层工艺均获得了实际应用。 1 4 m g a 1 z n 系合金的研究现状 m g a 1 z n 系镁合金是目前研发上最成熟、应用最为广泛的镁合金，主要包括 铸造镁合金a z 9 1 、a z 6 3 ，和变形镁合金a z 8 0 、a z 6 1 、a z 3 1 等，其中a z 9 1 占现 有镁合金应用量的8 0 左右，而且主要是压铸件的形式存在。 m g a 1 z n 系镁合金强度不高的根本原因是缺乏有效的时效强化强。前面提到， 铝在镁中的最大固溶度为1 2 9 w t i 伸】，而常温下固溶度只有1 ，因此m g a 1 系合金 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 具有一定的时效强化效果，如铸造镁合合中a z 9 l 和变形镁合金中a z 8 0 采用t 6 和t 5 热处理制度。研究表明，m g a i 系合金时效析出相是m g l 7 a i l 2 ，按照非连续和连续 析出的机制析出【2 0 1 ，连续析出相的强化作用优于非连续析出相。非连续析出相由 层片状交替分布的基体q 相与b m g 。，a l l 2 相组成，通常分布在大角度晶界附近的 基体内，有着十分明显的分界线1 2 ”。连续析出相多呈细小的片状弥散分布于基体 中，通常认为共有三类不同形态和晶体学特征的p 一( m g j7 a i l 2 ) 连续析出相| 2 “。占绝 大多数的第一类连续析出相是粗大板条状p 一( m g j7 a i - 2 ) ，其惯习面为m g 基体的基 面，与基体保持b u r g e r s 晶体学位向关系，即( o 0 0 1 ) ( 1 1 0 ) ， 21 1 0 f f 111 1 ， 0 11 0 11 2 其轴线偏离密排方向 约1 8 。第二类连续析出相是以其轴线垂 直于基面的六棱柱体，以基体的 110 0 棱柱面为惯习面，与基体保持对称性好的 c r a v v l e y 晶体学位向关系，b 9 ( o 0 0 1 ) ( 1 l o ) ，1 21 _ l o l l t1 2 】，i 0 1 l o l 1 1 0 。第j 三类 连续析出相为短棒状，其轴线为 ，与基面法线大约成1 5 。，惯习面仍然是基 一一一 体的棱柱面，与基体保持p o r t e r 晶体学位向关系，r j ( 0 0 0 1 ) ( 1 15 ) ， 0 1 1 0 1 1 0 。 但是相对于铝合金，m g a i 系合金时效强化效果差，抗拉强度只能提高1 5 左右， 铝合会能达到5 0 以上，m g a i 系合金时效强化作用差的原因如下：( 1 ) 沉淀序列为 从过饱和的固溶体直接析出与基体非共格的稳定相b ，m g j7 a i l 2 【2 ”，析出相对位错 运动的阻碍作用十分有限；( 2 ) 析出相中非连续析出相的比重过大，非连续析出楣 多呈粗大的片状，弥散度低，| b j 距较大，对材料的强化作用较小。( 3 ) 第一类析出 相d m g l 7 a 1 f 2 以镁基体的( 0 0 0 1 ) 基面；d 惯习面，其轴线也与基面平行，难以有效地 阻挡以基面为淆移面的位错滑移；而与基面垂直或成一定角度分向的第二、三类 析出相能够有效阻碍位错得滑移，但是析出数量太少；( 4 ) 析出相板条太粗大，且 间隔太宽( 2 0 0 0 a ) ，以粒子一位错相互作用为机制的o r o w a n 强化作用有限。因 此，深入研究开发镁合金的热处理新工艺，大幅度提高其时效强度，并兼顾塑性， 具有很重要的意义。 由于变形镁合金具有更高的强度和更好的韧性，更适用于制造大的结构件和 满足结构多样性的需求，所以大力开发镁合舍变形产品也是扩宽镁合会应用的瓶 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 颈问题。 1 5 材料电磁过程及其发展历程 材料电磁过程- - e p m ( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ) 是指将磁流体力 学- - m h d ( m a g n e t oh y d r o d y n a m i c s ) 与材料加工技术结合起来，在材料制备和a n n - 过程施加电磁场，从而实现对材料成形过程的控制及材料组织和性能的改善的一 f q 学科。经过多年的发展，目前已形成多学科交叉、应用领域广泛、工艺方法众 多的一门边缘科学 2 4 - 2 9 。 早在1 8 2 3 年，f a r a d a y 就由海洋流动与地球磁场的关系着手，测量了流体在电 磁场中的流动情况。1 9 2 3 年，m u c k 获得了悬浮熔炼方法的专利。1 9 3 8 年，h a r t m a n n 系统地研究和分析了水银在流动槽巾运动时与电磁场的相互作用关系。1 9 4 2 年， a l f v n 提出了磁冻结概念，a l f v 6 n 波的发现，使人们对导电流体与磁场的相互作用 有了本质上的认识和提高，然而磁流体力学理论的系统研究和发展却是直n - 十 世纪六十年代后才逐渐开展起来的，最初，在材料制备过程中的应用也仅限于半 导体金属材料的成形。近二十年来，感应加热、电磁搅拌、电磁铸造等过程在有 色金属和黑色金属冶炼和制各方厩得到广泛的应用和发展。1 9 8 2 年在英国举行的 i u t a m ( 国际力学理论和应用联合会) 学术会 义上第一次提出材料电磁过程这一术 语，1 9 9 0 年和1 9 9 4 年先后在f 1 本召丌了第六届l i s s ( n 际钢铁研讨会) 会议以及第一 届材料电磁工艺国际会议，预示着材料电磁过程时代的到来。自1 9 9 4 年至今，每 三年举行一次材料电磁过程国际会议，1 9 9 7 年在法国举行，2 0 0 0 年在同本举行， 2 0 0 3 年在法国举行，2 0 0 6 年将在同本举行。 目前，材料电磁过程中使用的电磁场主要有以下几种【3 0 1 ：1 ) 由传统线圈或超 导线圈所产生的直流磁场，主要用于制备具有强磁场取向的金属材料和控制液体 金属的流动。2 ) 频率从几赫兹到数十兆赫兹的交变磁场，通过对磁场频率的选择， 可分别应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁输送等工艺过程。3 1 移动磁 场、脉冲磁场、变幅磁场等特殊磁场主要用于高效、节能等新技术工艺的丌发。 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 上述各种磁场不仅可以单独使用，而且可以几种磁场或磁场和电场共同使用于某 一材料加工过程。 1 6 电磁场具有的功能 材料的电磁过程按其功能可分为形状控制、驱动液体、抑制流动、悬浮、雾 化、热量生成、探测、精炼和凝固组织的控制等功能3 0 i ，具体如下： 圈1 3 材料电磁处理树 f i g 1 - 3t r e eo f e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go f m a t e r i a l s 1 ) 形状控制功能 形状控制功能可分为利用高频交变磁场和直流磁场两类。前者在铝、铜及其 合会的领域内实现了电磁铸造，冷态坩坍，熔化会属的薄膜以及悬浮熔炼和熔化 会属的喷射变形：后者主要用于有直流磁场梯度的地方，可以使熔化金属的喷射 流扁平化。由于直流磁场几乎不伴有发热现象，因此适用于金属的凝固过程，而 且相对于高频交变磁场而言，利用直流磁场还可能使设备小型化，大大降低成本。 2 ) 电磁搅拌功能 电磁搅拌是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，在制取半固态浆料方 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 面获得了广泛应用。电磁搅拌对会属凝固组织的改变主要表现在改变柱状晶生长 方向、促进柱状晶向等轴晶转变、细化宏观组织、改变初生相形貌和尺寸、改变 共晶组织形貌、减小枝晶臂间距等方面。 电磁复合铸造是利用共晶合金在电磁搅拌作用下产生分离共晶的原理，与连 续铸造技术相结合，可以开发出内表面分离共晶层为金属间化合物的铸件。利用 该技术生产的铸件基本不需要二次加工，内表面分离层自动生成，与基体相容性 良好，整个铸件组织均匀，是优良的功能材料。目前，已经开发出分离层为a i - n i 、 a i m n 和a l f e 等金属间化合物的管件。 3 1 电磁制动功能 单晶硅的拉制过程中，在熔池中加直流磁场，设法控制其对流和控制氧气含 量的卓克拉尔斯基磁力法；以及在钢的板坯连铸中，以提高铸坯表面质量为目的 的抑制喷嘴出口弯月面波动的电磁制动法，均属于此类工艺。 4 1 磁悬浮功能 从相互正交的方向将直流电流和直流磁场加到金属上，可使金属悬浮起来。 磁悬浮列车以及水平式电磁铸造中利用对喷嘴流出的熔融会属施加相互f 交的电 流和磁场，使之在悬浮状态下冷却凝固，均是该功能的具体体现和应用。 5 ) 雾化功能 在从细小喷射出的熔化金属和喷嘴对面的电极之间施加一定的电场，而在与 电场正交的方向施加直流磁场，在通电的一瞬间，在喷嘴和电极闻的熔化会属内 就会产生电磁体积力，使熔化金属雾化，导致电流暂时被切断，而后流出的金属 使电流重新接通，并同样被雾化，这样可以使这一过程反复进行下去。这种方法 可以很好地控制金属的粒度及其分布。 6 1 升温功能 利用向熔化金属直接通电流和施加中、高频磁场使金属内产生感生电流，加 热和熔化金属，主要应用于感应炉。 7 1 检测流速的功能 v i v e s 根据楞次定律研制出了流速传感器，原理是将导线布置到小型强磁铁上， 上海交通大学博士后研究工作报告第l 章绪论 当电流接通时产生感应电流，测得感应电流大小即可推算出流体的流速。用此方 法测得的流速精度很高，不过在属罩点以上此方法无效。 8 ) 复合精炼功能 在r h 脱气装最中，可以利用气泡泵作用产生循环运动而脱气。如果在真空室 内进一步采用瞬态放电( 电火花) 可以使熔化金属飞散开来，也可达到脱气的目的， 此方法就是电磁精炼脱气。这种工艺能大幅度地简化真空设备，而且，在瞬时放 电作用下，由于产生的很多点状火点也可望促使活泼性物质挥发( 点状精炼) 。 9 1 组织细化功能 毛惘电磁场对会属凝固组织的控制主要表现在电磁细化方面，电磁细化分为 电场细化和磁场细化两大类。电场细化是指在凝固过程中施加电场，使盒属或台 金材料在电场中凝固的方法。此法可以获得有别于常规铸造条件下的凝固组织和 性能的铸锭。磁场细化是指使会属和合会在磁场中凝固的方法，利用了合会熔体 与磁场的相互作用的原理，使熔体在电磁力的作用下产生振动和发生对流以促进 形核和等轴晶的形成，从而达到细化凝固组织的目的。可以在金属凝固过程中单 独施加电场或磁场，也可以同时施加稳恒磁场和交变磁场，或者同时旌加电流和 磁场等。 1 7 电磁场作用下金属材料固态相变研究现状 伴随着超导技术的发展和制造业的进步，当今的电磁场设备正向磁场强度更 强、分布空间更广的方向发展，例如，现在强静磁场强度可高达几十特斯拉，因 此为材料电磁过程的研究扩展了更为广阔的天空。理论上来讲，电磁场尤其是强 电磁场可以将高强度的能