Mg-Zn-Nd准晶/AZ91复合材料的制备及性能研究
镁合金作为一种轻质工程材料，被广泛应用在军工、航空航天工业、3C、交通等领域。但铸态镁合金的晶粒比较粗大，力学性能不高，耐腐蚀性比较差，高温强度低，这些缺点严重限制了镁合金的应用。镁基准晶具有硬度高、表面能低、耐腐蚀性能好及与镁基体有良好的润湿性等优点，因此把镁基准晶相引入镁合金中可以起到细化晶粒、改善组织、提高力学性能和耐腐蚀性能的作用。因此，开发新型的高性能镁合金成为了目前镁合金研究领域中的热点。
本文采用常规铸造法制备Mg-Zn-Nd(MZN)准晶中间合金。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射分析(XRD)等测试手段，研究合金成分和冷却速度对MZN准晶相的形貌、分布、数量和准晶相成分的影响及MZN准晶相的热力学稳定性。选择含高体积分数球形准晶相的MZN准晶中间合金作为增强体加入AZ91镁合金中，配合X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、布氏硬度测试、拉伸强度测试、电化学测试等手段，研究不同MZN准晶中间合金的加入量对AZ91镁合金微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响。
研究结果表明:常规铸造方法能够制备出高体积分数的MZN准晶中间合金，MZN球形准晶的成分为Mg40Zn55Nd5。球形准晶相的数量随着元素Nd加入量的增加呈现先增加后减少的趋势。当Nd的加入量为1.3at％时，球形准晶相数量最多且均匀地分布在基体中。冷却速度实验表明在本实验条件下凝固模数为2.38时能够形成球形准晶相。在较快的冷却速度下，形核率增加，准晶相生长的初始形貌可以被保留下来，准晶相的数量相对较多且分布均匀。在较慢的冷却速度下，凝固时间延长，球形准晶相的形态在空间和时间上都有足够的条件长大、粗化甚至变异。冷却速度也影响准晶相的成分，在本实验条件下凝固模数为5.04时，球形准晶相Mg40Zn55Nd5在生长过程中向花瓣状准晶相Mg30Zn60Nd10转变。热稳定性实验证明在300℃时球形准晶相能够稳定存在。
球形准晶相的形成遵循形核和长大的规律，准晶相的形核需要克服较小的形核功，所以准晶相在液相中比其他晶体相更容易形成晶核。球形准晶形核过程是先形成五角十二面体生长形貌，生长过程和最终的形貌会受到元素Nd和冷却速度的影响。Nd元素在准晶晶核各个晶面上的分布是不同的。生长速度快的晶面，Nd元素在晶核晶面上的吸附较多，吸附活性元素Nd后，该晶面的界面张力变小，从而生长速度变慢。生长速度慢的晶面，吸附的元素Nd较少，该晶面生长速度变得相对较快。最后准晶晶核的各个晶面的生长速度趋向一致，此时在凝固模数为2.38的冷却速度下，最终形成了MZN球形准晶相。
根据液态金属结构遗传性，结合MZN准晶增强AZ91复合材料的XRD分析结果可以证明，AZ91镁合金中含有MZN准晶相。MZN准晶中间合金的加入明显改变了AZ91镁合金的铸态组织，呈连续网状分布的β-Mg17Al12相变为断网或颗粒分布，而且β-Mg17Al12相的数量明显减少。当添加6wt％MZN准晶中间合金时，β-Mg17Al12相断开的最为彻底，晶粒尺寸最小，合金的铸态组织得到明显细化;而加入量超过6wt％时，β-Mg17Al12相又重新增加且连接成网状。
加入MZN准晶中间合金后，AZ91复合材料的拉伸强度明显提高，拉伸强度最高达到210.68MPa，比AZ91镁合金提高了30％。当MZN准晶中间合金加入量为4wt％时，AZ91复合材料的延伸率达到3.3％，约为AZ91合金的1.5倍。这是因为弥散分布的球形准晶使合金组织细化，同时抑制基体合金的变形，钉扎晶界，阻止晶界滑移，达到弥散强化的作用，提高合金的强度和塑性。准晶颗粒的显微硬度为557HV，明显高于β-Mg17Al12相的显微硬度(153HV)。因此，加入MZN准晶中间合金后，AZ91复合材料的宏观硬度最大值达到71.3HB，比AZ91镁合金提高了26％。
MZN准晶中间合金可以明显提高AZ91镁合金的耐腐蚀性。MZN准晶中间合金的添加量为6wt％时，AZ91复合材料的腐蚀速率最小(0.8mg/(cm2·d))，约为AZ91镁合金腐蚀速率的(11.9 mg/(cm2·d))1/15。由于准晶相的耐腐蚀性，弥散分布的准晶相能提高基体的稳定性和耐腐蚀性。MZN准晶中间合金的加入，起到细化晶粒的作用，晶界可以作为镁合金耐腐蚀的物理屏障，晶界增加，合金耐腐蚀性增强。此外，MZN准晶中间合金的加入改变了β-Mg17Al12相的数量和分布，β-Mg17Al12相数量的减少，有效的减少了微电偶的数量，进一步减弱了合金的腐蚀程度。
复合材料;球形准晶;力学性能;冷却速度;耐腐蚀性;镁合金
济南大学
硕士
材料科学与工程
滕新营
2013
中文
TG146.22
81
2013-11-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）