（材料科学与工程专业论文）镁合金超声处理细化机制及工艺研究.pdf

i | l j 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：袤轩导师签冬她日期： j “ 摘要 摘要 镁合金具有密度小、比强度高、阻尼性能好及电磁屏蔽好等优点，在汽车、 电子、通讯等工业领域得到了日益广泛的应用。但是在镁合金的广泛应用中，改 善其塑性变形能力仍然是一个非常关键的问题。实践证明，细小等轴晶组织能有 效地提高镁合金的机械性能。因此找到一种实用有效的工艺来细化镁合金的晶粒 就显得非常重要。超声波处理作为一种高效、无污染的物理细晶技术，能显著的 细化金属的凝固组织。但是至今人们对于超声细化镁合金的研究比较少，因此有 必要在该领域内展开深入的研究，并对超声细化镁合金凝固组织的作用机制及工 艺参数的优化进行探讨。 本文以传统铸造镁合金a z 3 1 和a z 9 1 为例，进行合金超声熔体处理，对超 声细化镁合金的机制和工艺进行细致研究，找到超声处理中各个工艺参数对于合 金的影响，确定优异工艺参数，并且将其应用于m g 5 z n 2 e r 合金中。 为了研究超声处理工艺各个参数对于合金的影响，本文首先采用应用较为 广泛的a z 3 1 和a z 9 1 镁合金作为实验对象。对a z 3 1 和a z 9 1 镁合金分别采用 不同超声功率、超声处理时间和不同超声处理温度实验。研究表明超声处理功率， 时间和温度对合金的组织和性能均有较为明显的影响。实验发现，a z 3 1 和a z 9 1 合金在相同功率参数和时间参数下，表现出最为优异的组织结果和性能。超声处 理功率为3 0 0w 时，合金组织和性能提高不大；随着超声处理功率提高到6 0 0w 时，合金组织和性能得到较大提高；但是，随着超声处理功率提高到9 0 0w 时， 合金的组织明显出现粗化，性能也有所下降。另外，选取不同超声处理时间对超 声处理时间对a z 3 1 和a z 9 1 镁合金进行超声处理发现，在超声处理时间为5 0s 时，合金组织和性能提高不大；当超声处理时间提高到1 0 0s 时，合金组织和性 能达到最大值；而超声处理时间增加到1 5 0s ，合金组织出现粗化，晶粒大小不 均等现象，性能也有所下降。这说明超声处理功率和时间参数为超声设备自身的 输出能力，与合金液没有直接关系。随着超声功率和时间的增加，合金组织和性 能都有明显改善，但是当达到一定值后，由于超声波对合金液的热效应增加，使 得合金组织粗化，力学性能下降。 由上述实验可确定优异超声处理功率参数为6 0 0w ，时间参数为1 0 0s ，为 了确定超声温度参数对于a z 3 1 和a z 9 l 镁合金组织和性能的影响，在不同温度 下对合金液进行超声处理。实验发现，a z 3 1 镁合金在过热度为5 0k 时，获得最 为优异的组织和力学性能：而a z 9 1 镁合金在过热度为3 0k 时，合金显微组织 均匀，晶粒尺寸最为细小，力学性能达到峰值。说明超声处理温度参数与超声处 理功率和时间参数不同，它与合金液成分有着密切关系，因为超声波在合金液中 的传递存在着衰减，而其主要影响因素就是合金液的粘度，合金液粘度越大，超 北京工业大学t 学硕士学位论文 声波传递阻力越大，传输阻力越大，超声波对于合金液的影响越小。因此，可以 确定超声设备的最佳工艺参数为6 0 0w 和1 0 0s ，温度参数与选取合金有关。 在上述实验的基础上，为了考察超声处理对稀土镁合金组织和性能的影响， 选取m 争5 z n 2 e r 镁合金进行超声处理，可确定超声处理功率为6 0 0w ，超声处 理时间为1 0 0s ，而进行不同温度下超声处理以便确定超声处理温度工艺参数。 实验发现，超声处理后m g 5 z n - 2 e r 镁合金的物相并没有发生变化，在超声处理 过热度为5 0k 时，超声处理m 童5 z n 2 e r 合金组织细小：室温和高温下合金力学 性能最为优异。 基于以上实验，结合凝固理论和声学理论，对超声波处理细化机理进行了 系统分析。分析表明空化气泡在膨胀过程导致微区过冷和气泡闭合形成的高压提 一 高了合金形核速率，从而使组织的到细化，合金性能得到提高。而且超声波产生 的空化泡的吸附作用，能够有效净化合金液，减少气孔夹杂。 关键词：超声处理；a z 3 1 镁合金；a z 9 1 镁合金；m 哥5 z n - 2 e r 镁合金；工艺参 数 工 i 弋 亡 a b s t u r a c t a b s t r a c t m a 盟e s i u ma 1 1 0 y sa r ei i l c r e a s i i l 酉ya p p l i e di n t ot h ea u 幻m o t i v e ，e l e c 仃d 1 1 i c sa 1 1 d c o n u n u l l i c a t i o ni 1 1 d u s t r i 馏 d u et 0n l e i rl o w d e l l s 时l l i g l ，s 仃e 1 1 9 m - t o w e i g 也 r i 百d i 妒t o w e i 曲r 砸o ，9 0 0 dd 锄p i n gc 印a c i t ya n dg o o de l e c t r o m a 印e t i cs l l i e l d i n g p r o p 硎e s h o w e v n l e i rp 0 0 rs 愉l g 吐1a tr 6 0 m 锄de l e v a t e dt 锄p 如：t i 麟h 舔 r e t a r d e dn l e i ra p p l i c a t i o i l s m a i l yp r a 曲c 鹳p r o v c d 廿l a tm ef h l ee q u a _ t c d 哪，s t a l s s t l l 咀c t u r em a g n e s i u ma 1 1 0 y sc o u l di m p r o v em e c h a n j c a lp r o p 硎c s t h e r e f o r e ，an e w a p p r o a c ：hf o rr e f i l ：l i i l gg r a j l l s s i z et o k e 印t 1 1 em e l tc l e a r i sn e c e s s a r y u l 仃 l s o i l i c 仃i 舳e mi sas i i n p l e 缸de f f ；e c t i v e p h y s i c a l m e a n sf o rs o l i d i f i c a t i o nc o n t r 0 1 u l 仃弱。吼di sal l i g hf e q u e n c ym e c h a i l i c a lw a v e t h ep r o p a g a t i o n 锄di n t e m c 6 0 no f s 0 l l i l dw a v e sc h a i l g em ep h y s i c a la n dc h 砌c a lp r o p e n i e so fm a t e r i a l sr e m a r k a b l e t h ep 岫印o s eo f 吐l i s 硎c l ei st 0r e s e a r c he f f i e c to f 包r e 锄e 1 1 tt i m e ，仃e a 细 1 e n t p o w c r 觚du l t r a s 0 i l i ct r e 她e n tt 锄p e r a ：t i l _ r eo fu l 廿a s o i l i c 仃e a ：t r n e n to nm i c r o s 协】c t l 】r e a 1 1 dm e c h a i l i c a lp r o p e n i e so f m 孵l e s i u ma l l l o y i no r d e rt 0 如v e s t i g a t em ee f f e c to fu l 仃a s o i l i c 仃e a ：t i l l e n tp o w e r ，1 1 l 仃弱o i l i ct 证l e 觚du 1 仃嬲0 1 1 i c 骶细锄tt 锄p e r 咖r eo nm 孵l e s i u ma 1 1 0 y f i r s 廿y w ee x a m i l l c da z 3l a 1 1 0 y 趾da z 9 1a 1 1 0 y w ef o u i 】dm a tn l e 黟a i ns i z eb e c 锄ef m e 锄du r l i f b 衄a n dn l e s h a p eo f 莎a 洫t e n d st 0b es p h e r i c a lo re 1 1 i p t i c a la f t e rt l l eu 1 仃船o m c 臼e a _ 虹1 1 e n t ni s s h o w e dt 1 1 a tt h eu l n 粥o i l i ct r e 她e 1 1 tc a nr e f h l e 1 eg r a i l l so fm a 印e s i u ma 1 1 0 y s 瑚1 a d ( a b l y n l ep r e c i p i t a t i o no fm g l 7 砧1 2w 嬲r e s t r a 血l e di i lt l l e 黟a j i l ss ot 1 1 a t l e y p r c c i p i t a t em o s t l yi 1 1n l e 毋a i nb o u n d 撕e s i nm ee ) 【p 丽m 即t ，w ef i n dn l a tw i t l lt 1 1 e 印p l i c a t i o no fd i f f ：b 豫l tu 1 扛a s o i l i c 骶a 咖e mp o w e r ，i ti sd i 伍。r 即tt l l a t 也ee 伍e c to f a 1 1 0 y s w h e i la ts 锄et h eu l 仃a s o i l i c 仃e a t m e mt i m e ，w i t l li i l c r e a s i n go ft h eu l 缸a u s o i l i c 仃e a t i l l 咖p o w e r 台- o m3 0 0wt 06 0 0w ，廿1 ea v e r a g e 鲥ns i z er e 缅e sa n dt l l e m e c h a l l i c a lp r 叩e i t 洒p r o v e d 伊e a t l y b u tm eu l t i 韬o i l i c 仃e a 嘶e i l tp o w e ri si n c 陀a s c d t o9 0 0w ；廿1 eg f a i l l sc o a r s 痂g ；也ea v e r a g e 伊a i ns i z ei s l a 玛e r 觚dm e c h a l l i c a l p r o p e n i e sl o w e rm a n 1 0 s eo fs a m p l e 、_ h o s eu 1 仃a s o l l i c 仃e 咖e n tp o w e ri s6 0 0w ：0 1 1 l eo m e rh e a d ，w h e l la ts 锄e l eu 1 缸a s o i l i c 骶a h n e n tp o w w i t l li n 盯e a s i n go ft h e u l 仃a s o l l i c 心b 细咖t i i n e 丘d m5 0st 01 0 0s ，t l l ea v e r a g eg r a i l ls i z er e 6 n e sa i l dt 1 1 e m e c h 砌c a lp r o p 硎e sp r o v e d 夸e a t l y b u tt l l eu l 仃a s 0 i l i c 协a ：c i l l e n tp o w e ri si n c 鸦嬲e d t 015 0s ，m eg r 血sc o a r s e l l i n g ；m ea v e r a g eg r a i ns i z ei s l a 唱e r 觚dm e c h a m c a l p r o p 酬e sl o w e rm a nm o s eo fs 鲫珊ew h o s eu l 乜粥o m c 仃e 砌e n tp o w e ri s1o os w h e nm em 仃a s o i l i cp o w e fi s6 0 0wa i l du l 仃a s o i l i ct i i i l ei s1o o s ，m e 丘n eg r a i ns i z e a n dm a x i i l l u mm e c h a l l i c a lp r o p e r t i e sc o u l db eo b t 咖e d 近a z 31a 1 1 da z 91 t t i 北京t 业大学1 = 学硕上学位论文 a z 31a 1 1 0 ya n da z 91a l l o yw e r e 仃l ：a t e db yu l t l i a s o i l i cw i md i 任删tu 1 廿a s o l l i c 仃e a n n e n tt e i 】叩e r 硼盯e ：h la z 31a l l o y ，、) i ，_ h e i lm eu l 仃髑o i l i ct e i l l p e r 抓鹏i s5 0k 吐l e 缸e 莎a i l ls i z ea i l dm a ) 【i i n u mm e c h a 血c a lp r o p 鲥i e sc 叫l db eo b t 血b u ti i l a z 91 a l l o xw h e nt 1 1 e u 1 仃硒o i l i ct e i 】f l p e r a t l l r ei s3 0km ef i n e 黟血s i z e 趾dm a x i l i m m m e c h a i l i c a lp r o p e n i e sc o u l db eo b t a i n t h e r e f o r e ，m eu 1 仃a u s o i l i ct 即：l p 锄l t u d 印d s o n 咖p o s i t i o n so fa l l o y s o nt h eb 缸eo fn l ee x p e 血1 e n ta b 0 0 e ，m 争5 z n - 2 e rw 嬲仃e 砷e db yu l 仃a u s o l l i c 、) i r i 也 u 1 仃嬲o i l i c 仃e a t r i l e n tp o w 盱o f6 0 0wa n du 1 仃a s 0 1 l i c 血n eo f10 0s ，i nd i f f b r e n t u l 仃a u s o i l i c 协；a 缸i l e n tt 啪p e r a t i 】r e t h ep u i p o s eo fn l i si st 0r e s e 础e 丘to f 仃e a t m e n t t i m e 锄dt r e a 佃1 e n tp o w e ro fu 1 仃a s o i l i c 仃e a h i l e n to nm i c r o s t l l l c t l l r e 锄dm e c h a i l i c a l p r c i p e m e so fm g 一5 z n 2 e ra 1 1 0 y o nn l eb 撕so fs 0 1 i d i 丘c a t i o na n da c o u s t i c 廿1 e 0 m er e 丘n e m e n tm e c h a i l i s mo f u l t r 嬲0 1 1 i c 仃e a 缸n e n ti sd i s c u s s e d i ti si n d i c a t e d 也a tm i c r o - a r c a 吼l p e r c 0 0 1 i n g “n g c a v i t a t i o nb u b b l ee x p a n s i o na n dl l i 曲p r e s s u r e 协d u c c db yb u b b l ec l o s e 西v er i s et om e i n c r e a s eo fi m c l e a t i o nr a t eo fm e l t s ，c a u s i n gt h er e 丘n 即：l e n to f 蚰r u c t l l r ea n dm e m e c h a l l i c a lp r o p e n i e si i l c 2 u s e d k b yw o r d s ：u l 仃a s o i l i c 仃e a ：t i i l e n t ；a z 3 1m a 伊e s i 吼a l l o y ；a z 9lm a 印e s i 啪a 1 1 0 y ； m g - 5 z n - 2 e rm a 伊e s i 啪a 1 1 0 y 一 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 j 1 引言1 1 2 镁合金细化技术的研究与现状一1 1 2 1 镁合金性能特点1 1 2 2 镁合金晶粒细化意义2 1 2 3 镁合金晶粒细化技术的研究现状与前景一3 1 3 超声处理的研究与现状6 1 3 1 超声处理概述一6 1 3 2 超声细化技术的理论基础7 1 3 3 超声熔体处理的在国内外的研究与发展9 1 4 本文研究目标与主要内容1 1 第2 章实验与分析方法1 3 2 1 实验设备1 3 2 1 1 超声处理设备13 2 1 2 合金熔炼设备1 4 2 1 3 样品测试设备1 4 2 2 实验路线一1 4 2 3 分析方法16 2 3 1 合金显微组织观察1 6 2 3 2 合金硬度测试1 6 2 3 3 合金密度测量1 6 。 2 - 3 4x 射线衍射分析1 6 2 3 5s e m 观察与能谱分析1 6 2 3 6 合金力学性能测试1 7 第3 章超声处理对m g al 合金组织和性能的影响1 9 3 1 实验方案1 9 3 1 1 实验材料1 9 3 1 2 实验方法1 9 3 2 实验结果及分析2 卜 3 2 1 超声功率对m 争a 1 镁合金组织和性能的影响2 1 - 3 2 2 超声处理时间对m 分舢镁合金组织和性能的影响2 7 北京t 业大学工学硕卜学位论文 3 2 3 超声处理温度对m g 灿镁合金组织和性能的影响3 1 3 2 4 超声处理m g 舢合金断口分析3 6 3 3 小结。3 7 第4 章超声处理对m g 一5 z n 一2 e r 镁合金组织和性能的影响3 9 4 1 实验方案3 9 4 1 1 实验材料3 9 4 1 2 实验方法：3 9 4 2 实验结果及分析4 0 4 2 1 超声处理m 争5 z n 2 e r 镁合金物相分析一4 0 4 2 3 不同超声处理温度对m 分z n e r 镁合金显微组织的影响一4 1 - 4 2 4 超声处理对m g z n - e r 镁合金常温及高温性能的影响4 3 4 2 5m 哥5 z n - 2 e r 镁合金超声处理断口形貌分析4 4 4 3 小结4 5 第5 章超声处理镁合金作用机理研究一4 7 5 1 超声处理的细晶机理4 7 5 2 超声处理在合金液中的衰减5 0 5 3 超声熔体处理的净化作用一5 1 结论5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表学术论文6 3 致1 射6 5 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 自上世纪9 0 年代以来，镁及其镁合金作为一种迅速崛起的工程金属材料， 收到人们广泛关注。镁及镁合金与其他金属材料及工程塑料相比，具有很好的比 强度、比刚度，优良的阻尼减震性能、机械加工性能等特点。镁由于这些优点使 其被誉为“2 1 世纪绿色工程金属结构材料”，并将成为本世纪重要的商用轻质结 构材料。由于以上诸多优点被广泛应用于武器装备、航空航天、交通运输等方面， 并每年以2 5 的速率保持快速增长，远远高于铝铜、锌、镍以及钢铁，这在近代 工程金属材料的应用中是前所未有的【h2 1 。特别是随着金属镁冶炼技术的发展， 镁合金的价格也越来越低，目前单位质量镁合金的价格已远低于铝合金。因此， 镁合金的应用已成为当今材料领域的研究热点。 由于镁的活泼性，在工业上主要作为熔炼其它金属材料的添加剂或制取铝 合金的添加元素。直到二十世纪五十年代才开发出以镁为主要成分的结构材料， 即镁合金。与其它金属材料一样，材料科学界一直致力于采用合金化和热处理技 术开发镁合金，并取得显著进展。上个世纪七十年代已经形成了m g 舢、 m 争灿一z n 、m g z n - z r 、m g - r e z r 等几种比较成熟的镁合金系列，并在航空、仪 表、汽车等领域中得到应用。但是镁合金的发展远不及铝合金迅速，研究的深度 和开发应用范围也远不及铝合金广泛。这主要是由于镁合金的化学性质活泼、不 耐腐蚀、冶炼和铸造工艺技术比较复杂。尤其是其在温度升高时，强度下降很大， 这些都限制了它作为结构材料的应用范围与发展【3 - 5 】。晶粒细化作为提高镁合金 综合性能和改善镁合金成形性的重要手段，目前已受到人们的广泛关注和高度重 视。 1 2 镁合金细化技术的研究与现状 1 2 1 镁合金性能特点 镁合金重量轻，密度为1 7 5 1 9 0 c l i l 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钛合金和高强 度钢【6 】。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。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，因此，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毅、风动工具的零件，亦可 北京工业大学1 = 学硕上学位论文 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【| 丌。 镁合金在潮气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀，故镁合金 铸件均需进行表面氧化处理和涂漆保护。当镍、铁、铜的含量分别超过5p p 恤、 1 7 0p p m 、1 3 0 0 即l m 时，镁合金的耐蚀性能大幅度降低，为避免镁合金铸件在装 配过程中与铝、铜、含镍钢等零件直接接触而引起电化学腐蚀，应用隔绝物隔开， 但镁在汽油、煤油及润滑油( 不含水和酸) 中却很稳定，故镁合金在航空工业中常 用于制作齿轮箱、润滑油系统等零部件。 镁与氧的化学亲和力很强，且所生成的氧化物的致密度系数a _ 0 7 9 ( a 1 2 0 3 的a - 1 2 8 1 ，所以镁合金表面的氧化膜是不致密的，液态下该表面更是疏松，故 氧化剧烈且容易燃烧，因此，镁合金在熔炼和铸造时均需采用专门的防护措施。 镁合金的熔炼通常是在溶剂覆盖下进行的，但此种防护方法易在铸件中引入夹 杂，而用气体( 如s f 6 等) 保护熔炼，则可避免夹杂缺陷；与此同时，砂型和金属 型涂料中也要加入防氧化剂，防止镁合金凝固前后发生严重的氧化或燃烧【s 】。此 外，镁合金的热处理也应在保护性气氛中进行。 铸造镁合金具有良好的切削加工性能，而且镁合金可降低产品的自重以减 少能源消耗和污染，因此大量的镁合金零部件被生产出来，以代替塑料和铝合金， 甚至刚制零件，预计镁合金将成为本世纪最重要的商用轻质材料，在航空、汽车、 电子工业等领域获得越来越多的应用【9 10 1 。 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 1 1 2 1 。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【1 3 1 ，因此镁 合金用于电器产品上，可有效地将内部的热散发到外面，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。 1 2 2 镁合金晶粒细化意义 晶粒细化作为提高镁合金综合性能和改善镁合金成形性的重要手段，目前 已受到人们的广泛关注和高度重视。根据霍耳配奇( h a l l - p e t d l ) 关系式，即屈服 点和晶粒大小的关系式： 1 = + b d 2 ( 1 1 ) 式中：口卵是屈服强度：d ，后与材料有关的常数；d 是晶粒直径。这个关 系式可以说明晶粒度与屈服强度的一般关系。与铝晶体比较，镁晶体有较少的滑 第1 章绪论 移系，镁的h a l l p e t e h 系数是铝的4 倍，也就是说，与铝及铝合金比较，镁及镁 合金晶粒细化对改善强度和延展性来说具有更大的潜力，因此对镁及其合金晶粒 细化的研究也就变得更加重要。 高性能镁合金通常都含有贵重的合金元素如忆、错、稀土等，使得合金价 格大幅提高。与之相比，m 分a l 系镁合金具有均衡的力学性能和良好的铸造性能 等优点，是目前最为广泛使用的铸造镁合金，也是最值得进一步挖掘高温力学性 能潜力的镁合金。然而，a z 9 l d 镁合金凝固温度范围宽，组织易形成缩松。半固 态成形的最大优点就是减少和消除缩松，且半固态成形能细化晶粒( 与传统铸造 相比) 。在半固态成型技术里面，又以触变成型应用最为广泛。与其它金属半固 态触变成形技术类似，镁合金半固态触变成形技术开发成功的一个关键问题也是 半固态非枝晶锭料的制备，目前的问题主要是制作半固态锭料的原始铸态组织比 较粗大，导致半固态组织也比较粗大。所以，获得理想的半固态非枝晶锭料显得 非常必要。制备镁合金非枝晶半固态锭料的方法包括：机械搅拌法、电磁搅拌法、 s m 协法、化学晶粒细化法等。机械搅拌法具有机械搅拌装置结构简单、造价低、 操作方便等优点，但也存在相当大不足，如工艺参数不易控制，易卷入气体，搅 拌棒和搅拌室的寿命短，易造成镁合金的污染。坯料晶粒尺寸较大，一般为2 0 0 岬，重现性差，生产率低；电磁搅拌法最大的优点在于对熔体的污染小，并且 设备简单，搅拌均匀，气体卷入量少，但它也存在设备投资大和工艺比较复杂等 缺点；s m 队法具有制备的坯料纯净等优点，但这种方法需要很大的挤压变形量， 且工艺比较复杂，生产成本高，生产效率低，仅适用于小尺寸半固态坯料的制备； 化学晶粒细化法工艺简单，只需添加晶粒细化剂对铸态组织进行细化处理，然后 对细化后的锭料进行半固态等温热处理，即可获得良好的半固态非枝晶锭料。通 过对比上述几种方法可得出，化学晶粒细化法制备镁合金半固态锭料有一定的优 势。这种方法简单、方便，而且最有前途。因此，镁合金晶粒细化显得非常必要 【1 3 - l 刀。 1 2 3 镁合金晶粒细化技术的研究现状与前景 当前国内外对于镁合金的晶粒细化技术进行了大量的研究，并在镁合金铸 态晶粒细化和变形态晶粒细化研究方面取得了不少的成果。其中镁合金铸态晶粒 细化技术主要指在浇注前或铸造过程中通过改变铸造工艺参数( 如冷却速率等) 、 添加合金元素、晶粒细化剂或对合金熔体施加强烈的外力( 如强磁场、超声波、 机械搅拌等) 等以使合金获得细小晶粒的工艺措施或方法。目前，已得到发展和 研究的镁合金铸态晶粒细化技术主要有熔体过热法、熔剂处理法、合金元素添加 法和熔体搅拌法、快速凝固工艺等n8 1 9 3 。基于国内外围绕镁合金铸态晶粒细化所 做的工作，从细化方法方面综述了镁合金铸态晶粒细化技术的研最新进展。 北京工业大掌t 学硕十学位论文 熔体过热法是早期用于m g - 灿系合金的一种晶粒细化工艺，其工艺原理是 将合金熔体过热到高于熔点的某一温度范围内并保温较短的时间后，快速冷却到 浇注温度进行铸造，以获得良好的晶粒细化效果。已有的研究结果如下，熔体过 热处理时的过热温度存在一个较佳的温度范围，其取决于合金的成分，一般高于 液相线温度1 5 0 一2 6 0 。此外，熔体过热后需快速冷却到浇注温度完成浇注， 否则将导致晶粒粗化，有时甚至使品粒细化效果完全丧失。a l ( 1 ) 、f e 和m n 是保证a z 9 1 d 镁合金的晶粒细化及在部分重熔中的组织演变过热处理获得最佳 细化效果最基本的合金元素。a 1 是影响熔体过热法获得良好晶粒细化效果最主 要的合金元素，随着a i 含量增加，晶粒细化程度提高且对过热处理的响应更为 迅速。而f e 和m n 对熔体过热法的晶粒细化效果也有重要影响。为了在过热处理 时获得良好的晶粒细化效果，f e 、m n 含量应大于其临界最小值，但过量的m n 有 时反而起相反作用。在过热温度范围内搅拌可进一步提高过热处理的晶粒细化效 果m 2 羽。熔体过热法工艺简单，但是由于过热处理需要将镁合金熔体加热到高温， 增大了镁合金熔液的氧化损失和吸气量，增加了能量和柑祸的消耗，而且由于杂 质和熔体合金的密度均减小，不利于杂质的分离，另外，对冷却速率的要求，减 小了实际生产过程中的可操作性。 熔体搅拌法是指通过强磁场、超声波或机械搅拌等方式对合金熔体施加强 烈外力以达到细化晶粒的一种熔体处理工艺。目前，关于熔体搅拌法细化镁合金 晶粒的机理还不清楚，而国内外对于熔体搅拌法细化镁合金晶粒的报道也非常 少。许光明口4 2 印等研究了不同磁场作用下z k 6 0 变形镁合金的凝固组织后发现在 凝固过程中施加低频交变电磁场或静磁场都能使镁合金的晶粒得到有效细化。而 且，只有对高温熔体进行搅拌才会使镁合金晶粒细化，对低温镁合金熔体搅拌不 但不能使晶粒细化，还会导致晶粒粗化。这主要是由于高温条件下，搅拌有助于 增加溶解度和形成大量细小晶核核心，而低温条件下搅拌则会加速结晶核心的聚 合，从而导致晶粒粗化。熔体搅拌法工艺比较复杂，在高温下搅拌，熔体烧损和 氧化比较严重。而且耗能大，成本较高。 加c a 晶粒细化法：c a 能明显降低纯镁及镁合金的晶粒大小。当含量约为 0 1 4 时，晶粒尺寸达到2 7 0 岬的稳定水平。而对于镁合金的晶粒细化，c a 除 了可增强m g - z n ( r e ) z r 、m g i 也z r 、m g ( y ，a g 或t h ) - r e z r 等含压 镁合金的晶粒细化效果外，还可对a z 9 1 、a s 2 1 和a s 4 1 等m g 灿系镁合金的基 体和第二相产生显著的细化效果，其中对于a z 9 1 合金，在添加c a 的基础上再 添加s i 或r e ，会使合金晶粒细化效果得到进一步加裂2 6 刀】。 加s r 晶粒细化法：s r 可作为一合金有效的晶粒细化剂。s r 可显著降低纯镁 和低铝含量的m g 灿合金的晶粒尺寸，而对m g 9 砧合金的晶粒细化效果不明显。 然而，c r u a l e 凼等研究表吲2 8 】：a z 9 1 合金经c 2 c 1 6 处理后，加入o 0 0 5 o 0 0 3 第1 章绪论 的s r 对降低晶粒尺寸和缩松具有明显效果。n u s s b 姗【2 9 】的研究结果也证实了s r 对a z 9 1 e 合金细化的作用，并且还发现在s r 一定加入量时，合金中会析出针状 的a 1 4 s r 和m 9 2 s r 的析出相而s r 含量大于3 时，合金中会产生相对粗大且高度 稳定的含有砧和m g 的析出相。 其它合金元素晶粒细化法：国内外在t i 、s b 、s n 、y 、b i 等合金元素或含 l a 、c e 的混合稀土等对m 争灿系镁合金铸态组织的影响方面已进行了一定的研 究。已有的研究结果表明这些合金元素对于m g 灿系镁合金均有一定的晶粒细 化作用【3 0 3 1 1 。 熔体搅拌法：熔体搅拌法是指通过物理场、超声波或机械搅拌等方式对合金 熔体施加强烈外力以达到细化晶粒的一种熔体处理工艺。目前，关于熔体搅拌法 细化镁合金晶粒的机理还不清楚，而国内外对于熔体搅拌法细化镁合金晶粒的报 道也非常少3 2 3 3 1 。许光明2 4 2 5 1 等研究了不同磁场作用下z k 6 0 变形镁合金的凝固 组织后，发现在凝固过程中施加低频交变电磁场或静磁场都能使镁合金的晶粒得 到有效细化，通过研究发现只有对高温熔体进行搅拌才会使镁合金晶粒细化，对 低温镁合金熔体搅拌不但不能使晶粒细化，还会导致晶粒粗化。这主要是由于高 温条件下，搅拌有助于增加溶解度和形成大量细小晶核核心，而低温条件下搅拌 则会加速结晶核心的聚合，从而导致晶粒粗化，发现在7 6 0 下慢速搅拌镁合金 熔体将使合金晶粒粗化。 快速凝固工艺：由于快速凝固时的冷却速度很大，因而可获得细小的粉末晶 粒。将粉末晶粒除气和热压固结后，再经轧制、挤压和锻造等粉末冶金成形工艺 可以得到细晶材料【3 4 1 。 目前，尽管镁合金铸态晶粒细化技术已得到很大的发展，但与铝合金相比 仍然存在以下两方面的较大差距，一方面，镁合金还缺乏可广泛用于不同合金系 的可靠的通用晶粒细化剂，如己发展的各种晶粒细化方法的使用范围都局限在某 一特定的合金系，有时甚至局限在某一特定成分的合金。另一方面，已发展的各 种细化方法的细化机理还没有完全建立，虽然目前已提出了许多镁合金晶粒的细 化行为及理论，但它们都因有各自存在的不足而难以提供令人满意的解释。也正 是由于这些原因，造成目前在工业实践中多采用经验方法来进行镁合金的晶粒细 化处理【3 5 1 。为了发挥晶粒细化在镁合金性能改善等方面的作用，以进一步推动镁 合金的工业化应用，结合镁合金自身的材料特点，揭示不同细化工艺对镁合金晶 粒细化的机理，以为镁合金细化技术的开发奠定理论基础。必须研究新型高效无 公害且适用范围广、无污染和处理工艺简单的晶粒细化方法。 要获得细小等轴晶组织，就必须通过不同的微细化手段对凝固预结晶过程 进行控制，包括采用向液态金属中加入各种异质形核剂、外加物理场处理等措施 使凝固组织细化。物理场细化处理技术是在金属凝固前或凝固过程中对金属熔体 北京t 业大学工学硕十学位论文 施加物理场，利用金属和物理场的相互作用，改善其凝固组织。该技术具有环境 友好、操作简便等优点。目前该领域的研究热点主要集中在三个方面电流处理、 磁场处理和超声波处理。与外加异质形核剂方法相比，物理场细化处理技术能在 节能节材的条件下，减少对环境和材料本身的污染，实现清洁化生产和材料加工、 使用的可持续发展，这对于优化传统材料加工技术和开发新材料都有重要的科学 和工程意义。而其中又以超声处理设备简便，使用方便受到更多重视【3 6 3 7 】。 1 3 超声处理的研究与现状 1 3 1 超声处理概述 超声波通常是指频率高于2 0k h z 的声波，具有频率高、波长短、束射性强 和易于集中能量的特点。超声波的应用大致可分为检测超声和功率超声两大类。 检测超声是通过超声波在介质中传播、散射、吸收以及波形转换等，实现对介质 性质、内部缺陷或结构等的检测。例如无损探伤，超声测速、测厚、测距、测物 位等。另外，以人体组织为检测对象的超声医学诊断，以海洋探测以及水下目标 识别为目的的水声应用等也属于此类。同时，超声波作为一种能量形式，当其强 度超过一定值时，通过其与传声介质的相互作用，能够影响、改变甚至破坏介质 的性质与状态，或者使这种改变的过程加快，这称之为功率超声【3 8 1 。功率超声最 常用的频率范围为几千赫到几百千赫，例如超声清洗、焊接、切割、粉碎、钻孔、 乳化、凝聚、雾化、除气、萃取、颗粒弥散、凝固控制等以下所提到的超声场均 为功率超声所产生的超声场。 目前人们认为功率超声主要有五个基本作用【3 2 】： ( 1 ) 线性的交变振动作用，它是由于媒质在一定频率和声强的超声作用下作 受迫振动，而媒质的质点位移、速度、加速度以及应力等分别达到一定数值而产 生的一系列超声效应。 ( 2 ) 大振幅声波在媒质中传播会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处造 成很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压等一系列特殊反应。 ( 3 ) 振动的非线性会引起相互靠近的伯努利力，由粘度的周期性变化而引起 的直流平均粘滞力等等，这些直流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等力学效 应。 ( 4 ) 声空化作用。超声波在金属液中传播时，在炉壁处产生反射波，同时在 结晶区形成逸入波。在交变声场作用下，金属原子以其平衡位置为中心振动。在 声波的负压相内，质点间距增大，液体受到拉应力，当声强足够大时，液体受到 的相应负压力足够强，质点间的平均距离就会超过极限距离，从而破坏了液体的 结构完整性，形成空化泡。在超声波作用下，一部分空化泡进行复杂的非线性振 第1 章绪论 动而那些谐振频率高于声源频率的空化泡在声波正压相内被压缩而形成崩溃现 象，空化泡崩溃的瞬间，泡内聚集的能量迅速释放出来，致使在空化发生的微小 空间内产生瞬间高温、高压。 ( 5 ) 声流作用。超声波在熔体中传播时，声波与熔体中粘性力交互作用导致 有限振幅衰减，使液体内从声源开始形成一定的声压梯度，导致液体流动。当声 压幅值超过一定值时，液体中产生一个流体的喷射，喷射流在整个熔体中形成环 流，这就是声流。 这些基本作用使得功率超声在媒质中传播时会产生一系列的效应，如力学 效应、热效应、化学效应和生物效应等。其中以力学效应和热效应为主，力学效 应包括： ( 1 ) 机械搅拌。超声的高频振动及辐射压力可在气、液体中形成有效的搅动 与流动。空气气泡振动对固体表面产生的强烈射流及局部微冲流，均能显著减弱 液体的表面张力及摩擦力，并破坏固液界面的附近层，因而达到普通低频机械搅 动达不到的效果。 ( 2 ) 相互扩散。利用超声振动及空化的压力、高温效应、促使两种液体，两 种固体，或液一固、液一气界面之间，发生分子的相互渗透，形成新的物质属性， 金属或塑料的超声焊接，超声乳化、清洗、雾化可归为此类作用。 ( 3 ) 均匀化。空化气泡闭合后产生的局部冲击波，可粉碎液体中的颗粒，使 其细化、均匀化。 ( 4 ) 凝聚作用。超声振动可使气、液媒质中悬浮粒子以不同速度运动、增加 相互碰撞机会或利用驻波使它们趋于声压节或声压腹处，从而发生凝聚过程。 ( 5 ) 机械切削作用。因超声振动加速度甚大，加上空