Ti对Mg-Zn合金组织与性能的影响

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镁合金作为绿色轻质金属结构材料,具有比强度、比刚度高、减震性好、易于回收等优点。其中,Mg-Zn系合金是商业应用最广泛的镁合金之一,其强度较高、时效硬化效果显著,但是该系合金铸造性能欠佳,易产生严重的热裂倾向与显微疏松,晶粒和非平衡离异共晶组织粗大。已有研究表明,Ti微合金化对改善合金的铸态组织显示了一定的潜力,而且,当Ti以Zn-Mg-Ti中间合金的方式加入镁时,得到的合金铸态组织晶粒细小,且力学性能与腐蚀性能得到明显改善。但是,由于Zn-Mg-Ti中间合金成分控制困难,制备工艺参数不易控制等因素,目前,其添加效果尚不稳定;同时,Zn-Mg-Ti中间合金(包括合金成分、组织形貌等)对铸态组织、性能及凝固行为的影响规律,以及Ti对Mg-Zn合金的作用机理尚有待进一步研究。针对上述问题,本文研究了中间合金及Ti元素对Mg-Zn合金组织、性能及凝固行为的影响。首先,通过变化冷却速度制备了成分为Zn82.8Mg14.1Ti3.1(A)与Zn81.9Mg15.1Ti3(W)的中间合金,探究了不同工艺参数对Zn-Mg-Ti中间合金组织形貌的影响规律;其次,将添加量为8%的中间合金Zn82.8Mg14.1Ti3.1(A)与Zn81.9Mg15.1Ti3(W)分别加入纯镁中,得到Mg-A-720与Mg-W-720铸态合金。通过OM、XRD、SEM、EDS、DSC等表征与测试手段,研究了两种中间合金对铸态合金组织、性能及凝固行为的影响。最后,结合计算相图,探讨了Ti对Mg-Zn合金的作用机理。实验结果表明,制备工艺显著改变Zn-Mg-Ti中间合金的微观组织。增大冷却速度,将使中间合金中TiZn3相由“规则块状”变为“不规则块状”,Zn-Mg-Ti准晶相由“四瓣状”变为“枝晶状”;且随冷却速度的增加,中间合金中第二相的尺寸明显减小,Zn-Mg-Ti准晶相的体积分数增加。不同微观组织的中间合金影响最终合金材料的微观组织与凝固行为。虽然Mg-A-720与Mg-W-720的铸态组织均由α-Mg、Mg51Zn20以及少量MgZn相组成,但Mg-A-720中第二相呈网状,而Mg-W-720中呈颗粒状或棒状。通过相图计算得到,Mg-6.5Zn合金在非平衡条件(Scheil模型)下凝固过程为L→α-Mg+Mg51Zn20,共晶温度约为341℃,液相线温度为631℃,凝固结束,合金中Mg51Zn20的体积分数约6.3%。比较发现,Mg-W-720的共晶温度略高于对应的Mg-Zn二元合金,液相线温度也较二元合金更高,且第二相体积分数较二元系更低。这表明Ti能提高Mg-Zn合金中基体与第二相的热稳定性,并能抑制Mg-Zn相凝固析出。在相同的热处理条件下(400℃/12h+175℃/10h),Mg-A-720与Mg-W-720合金呈现不同的组织及性能。其中,Mg-W-720固溶效果明显,而Mg-A-720在晶界处仍有残余第二相;时效处理后两种合金的硬度均较固溶态有所提高,并且时效强化效果显著高于相应的二元体系,其中,Mg-W-720合金的时效强化效果优于Mg-A-720合金。
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