Al4C3對Mg-Al系合金細化機制及其原位合成的研究.pdf

1、Mg-Al系合金因其輕量特性能夠滿足節(jié)能減排的工業(yè)需求，但是較低的強度和較差的塑性變形能力限制了其應(yīng)用的進一步發(fā)展。因此，Mg-Al系合金晶粒細化和及其細化劑的制備一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。除晶粒細化外，顆粒增強也是提高其力學(xué)性能的重要手段。本文制備了一種新型Al-3wt.％C中間合金（以下可簡稱Al-3C，質(zhì)量分數(shù)，下同），用于Mg-Al系合金的細化試驗及其機理的研究，并基于此在Mg-Al合金中原位合成了納米Al4C3粒子。分析了A

2、l-3C中間合金的組織形貌及Al4C3生長機制和形貌演變，并研究其對AZ91、AZ63和AZ31合金的細化行為及對AZ91合金力學(xué)性能的影響;分析Mg-9Al合金中α-Mg異質(zhì)形核襯底，比較AZ91合金和Mg-9Al中α-Mg的形核物相差異，利用物相提取技術(shù)研究AZ91合金中的富Mn相，綜合分析Mn對碳質(zhì)細化的影響，從而明確碳質(zhì)細化機理;利用擴散控制反應(yīng)法在Mg-Al合金中原位合成納米Al4C3粒子，研究其組織形貌、反應(yīng)機理及增強效果。

3、
　　本文的主要研究工作如下:
　　(1)Al-3C中間合金制備及其在Mg-Al系合金中的應(yīng)用采用液-固反應(yīng)法原位合成一種彌散型Al-3C中間合金，克服了鋁與石墨潤濕性差、Al4C3粒子尺寸大且聚集成團等問題，其中Al4C3粒子尺寸多介于1～4μm之間，少量具有亞微米級尺寸，彌散、均勻地分布于鋁基體上。Al4C3晶體的三個密排面為{0001}、{1010}和{1011}，其中{1011}晶面具有最快的生長速度，{0001}和

4、{1010}晶面被保留下來成為晶體的外露面，最終Al4C3晶體表現(xiàn)為六角板塊狀形貌，其表面自由能最低。結(jié)合晶體生長熱力學(xué)和斷口粒子形貌分析，Al4C3晶體在生長過程中的形貌演變過程為:球狀→多面體→六角板塊。Al-3C對AZ91、AZ63和AZ31合金均表現(xiàn)出了良好的細化效果，并且均遵循以下三個規(guī)律:1）高效性:保溫15min，晶粒尺寸可細化至原始尺寸的1/3;2)抗衰退性:保溫至180min，細化效果基本不發(fā)生細化衰退;3）60min

5、最佳效果:保溫60min，細化效果最佳。AZ91合金經(jīng)Al-3C中間合金細化后，不僅獲得細晶組織，也提高了固溶時效的熱處理效果。力學(xué)性能方面:布氏硬度提高了10.95％,極限拉伸強度提高了8.59％，同時，延伸率也提高了42.56％。
　　(2)碳質(zhì)細化Mg-Al(-Mn)合金的形核襯底表征
　　通過FIB(Focused Ion Beam)制樣避免α-Mg晶粒形核核心物相的水解，然后利用EBSD(Electron Back

6、-Scattered Diffraction)物相分析技術(shù)，證實碳質(zhì)細化后α-Mg晶粒的異質(zhì)形核襯底為Al4C3，而且觀察到的形核方式為:Al4C3粒子團而非單個粒子作為α-Mg形核核心。Al4C3在720℃的Mg-Al基合金熔體中保溫24h仍保持其原始晶體結(jié)構(gòu)、形貌和尺寸，其極佳的穩(wěn)定性正是細化效果具有良好抗衰退性的根本原因。
　　對于含Mn元素的AZ91合金，經(jīng)Al-3C細化后，Al8Mn5會對Al4C3顆粒產(chǎn)生依附行為（析出

7、依附和顆粒依附），對α-Mg在Al4C3襯底上形核產(chǎn)生不利影響。然而在Al4C3粒子團中其它未被依附的粒子仍然可以有效地發(fā)揮形核作用，該粒子團式的特殊形核方式在一定程度上能夠克服Mn元素對形核帶來的負面影響。
　　(3)基于擴散控制反應(yīng)法在Mg-Al合金中原位合成納米Al4C3粒子
　　以Al-C預(yù)制體和純Mg組成的擴散偶，通過擴散控制反應(yīng)法在Mg-Al合金中原位合成了納米Al4C3粒子，其尺寸大都介于50-200nm之間，

8、并以螺旋環(huán)型或是流線型均勻分布在基體上，且對Mg-Al合金增強效果良好，顯微硬度為360.9HV，相較其基體提高了215％。
　　Al-C預(yù)制體于相同的試驗條件進行處理后，微觀組織和物相組成未發(fā)生任何變化，而Al-C預(yù)制體與純Mg組成的擴散偶卻發(fā)生充分反應(yīng)生成大量的納米Al4C3。這是由于界面兩側(cè)的Al原子和Mg原子由于化學(xué)勢梯度的驅(qū)動力作用下發(fā)生下坡擴散，促進界面焊合并改變合金成分，使得擴散偶中產(chǎn)生液相，進而改變了Al和C的反應(yīng)