Mg-Zn-Sn基变形镁合金的制备及其挤压成形性能的研究

1、Mg-Zn-Sn基变形镁合金的制备及其挤压成形性能的研究镁合金作为最轻的金属结构材料,在汽车、轨道交通、航空航天和国防等领域获得广博关注和应用,并逐步成为轻量化结构最严重的备选材料之一。镁合金为密排六方结构材料,其塑性加工能力较差,这无疑增加了镁合金构件的成形难度。目前镁合金制品多采用铸造成形,但易产生偏析、缩孔和空隙等缺陷,整体力学性能不高。采用塑性成形工艺对镁合金进行成形加工,不仅能够克服铸造缺陷而且能够获得组织细小精致且具有高强度和大延伸率的镁合金构件。然而,目前变形镁合金种类仍相对较少,特别是成本便宜、性能优良且成形性能优良的镁合金开发与研究相对滞后,限制了镁合金的推广和应用。变形镁合

2、金适合于热塑性成形加工,其中挤压成形操作简单,生产效率高,变形量大,晶粒细化明明,能够获得组织和力学性能优良的镁合金构件,是一种富有前景的镁合金成形工艺。但在变形镁合金制备和挤压成形性能研究方面,仍面临低成本微量合金元素对改善合金挤压成形性能以及挤出合金微观组织和力学性能的作用机理,挤压工艺参数对挤出棒材晶粒结构、第二相粒子、织构以及力学性能的影响机制,挤压工艺参数对空心型材纵向焊缝处组织、织构和力学性能的影响规律等基础科学和技术问题,因此 ,开展新型变形镁合金的开发及其挤压成形性能的研究具有严重的理论意义和工程应用价值。为此，本文通过向Mg-Zn-Sn基合金中添加Mn、 Ca Al、Cu元素

3、,对合金进行成分设计，开发出一种成本较低、综合力学性能优良 且挤出性能优良的新型变形镁合金Mg-3.0Zn-1.0Sn-0.3Mn-0.3Ca(ZTMX3100。 )采用半持续铸造技术生产了该合金铸锭,研究了铸锭例外位置处的微观组织和力学性能,揭示了例外均质工艺参数条件下合金微观组织和力学性能的演变规律。基于均质后的ZTMX3100合金，系统研究了挤压温度和挤压速度对合金微观组织、织构和力学性能的影响规律。研究了挤压态合金的时效硬化行为，并对ZTMX3100合金的时效工艺进行了优化，获得了合金最佳时效工艺参数。开展了 ZTMX3100合金空心型材热挤压实验 ,揭示了例外挤压速度下空心型材基体处

4、和焊缝处微观组织和力学性能的演变 规律。提出了一种通用性的焊缝质量三维定量评估方法,实现了对例外挤压速度下型材焊缝质量的确凿评估。主要研究工作如下：(1)通过向Mg-Zn-Sn基合金中添加 例外的低成本合金化元素 Mn、Ca Al、Cu研究了各合金元素对 Mg-Zn-Sn基合 金挤出性能、微观组织和力学性能的影响。研究表明,加入少量Mn 元素可对合金的挤出性能、微观组织和综合力学性能起到优良的改善作用。与 Al、Cu元素相比,Ca元素更有助于提高挤压合金表 面质量、改善合金微观组织以及增强合金力学性能，使ZTMX3100合金具备优良的挤出性能和最佳的综合力学性能。(2)采用半持续铸造技术批量制

5、备了 ZTMX3100镁合金半持续铸锭，针对铸锭例外位置处的微观组织和力学性能进行了研究。研究表明,铸锭轴向的合金强度和塑性略优于径向,且在半径处具有最佳的合金强度和延伸率。研究了例外均质工艺条件下合金的微观组织与力学性能之间的内在联系,确定了合金的最佳均质工艺参数为 340c X 10 + 520 x 16h均质处理后，合金屈服 强度明明降低,延伸率显赫提高,组织平均性进一步提升,有助于合金后续热变形加工。(3)研究了挤压温度对挤出合金微观组织和力学性能的影响,确定了合金最佳挤压温度并获得了挤压温度与屈服强度之间的定量关系。结果表明,挤压后合金晶粒尺寸明明细化,随挤压温度升高,平衡晶粒尺寸逐

6、渐增大,同时晶粒尺寸分布平均性得到提高。在 300 挤压时形成较小的晶粒尺寸、平均分布的第二相粒子以及较弱的基面织构,从而使合金表现出最佳的综合力学性能。在最佳挤压温度基础上,系统研究了例外挤压速度下合金的晶粒结构、第二相粒子、织构及力学性能的演变规律。探究了 ZTMX3100镁合金的挤出性能。结果表明，随挤压速度提高，合金平衡 晶粒尺寸逐渐增大，CaMgSnf的比例逐渐降低，合金基面织构极值逐渐增加。合金在 0.2 mm/s 的挤压速度时获得最高的合金强度以及延伸率。元素含量适中且初熔温度较高使ZTMX3100合金具有优良的挤出性能。因此，合金在10mm/s(挤压出口速度18m/min)的高

7、挤压速度下仍保持优良的 表面质量及较高的综合力学性能。(4)研究了 ZTMX3100合金的时效硬化行为，优 化了该合金的最佳时效工艺参数。探究了例外时效时间下合金的微观组织以及力学性能的演变规律。结果表明，在175c/24h的峰值时效工艺参数下，ZTMX3100合金内部析出大量第二相，这 些密集、平均分布的第二相其相间距离较小,强化作用显赫。分析了例外挤压速度对峰值时效态合金晶粒结构、第二相粒子、析出相及力学性能的影响规律。结果表明,慢速挤压时,合金峰值时效后析出相尺寸相对较小 ,且析出相密集平均地分布在合金内部,使合金表现出最佳的力学性能。高速挤压时,合金峰值时效后依然保持较高的强度和延伸率

8、,时效强化作用显赫。(5)开展了例外挤压速度下的空心镁合金型材热挤压实验,研究了例外挤压速度下型材基体处和纵向焊缝处的微观组织及力学性能的演变规律,分析了例外挤压速度下空心型材焊缝处的断口形貌和断裂机制。结果表明，随挤压速度提高，型材基体处平衡晶粒尺寸逐渐增加，CaMgSn相的比例逐渐降低,屈服强度先增后降,延伸率逐渐降低。随挤压速度提高,焊缝位置处的晶粒尺寸逐渐长大,但第二相粒子始终以点状平均分布在焊缝两侧,例外位置焊缝力学性能随挤压速度提高具有例外的变化趋势。在例外挤压速度下,优良焊合区的焊缝断口形貌均表现出典型的韧窝结构,而不良焊合区的焊缝断口在例外挤压速度下表现出例外的形貌,随挤压速度提高,断口形貌由大面积的沟槽结构逐渐演变为韧窝结构。(6)针对空心镁合金型材纵向焊缝焊合质量的定量评估问题，提出了一种基于K准则的焊缝质量三维定量评价 方法，将K准则的应用由二维推广到三维，由一条焊合线拓展到整个焊合面。基于热模拟实验，建立了 ZTMX3