Zn-Mg-Ti中间合金对纯镁组织与性能的影响

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镁合金由于其低密度、高比强度、高比刚度等优点在设备轻量化及节能减排领域具有广阔的应用前景,然而镁合金强度较低、塑性成型能力较差限制了镁合金的进一步推广,如何提高镁合金的综合力学性能是当前镁合金研究的热点。从改善镁合金组织与性能方面分析,最有效的途径就是合金化。因此,本文在总结分析国内外改善镁合金组织性能研究现状的基础上,设计了一种新型Zn-Mg-Ti中间合金以改善镁合金微观组织和力学性能。论文主要分为三个部分:首先,利用常规铸造方法制备两种不同成分的Zn-Mg-Ti中间合金,研究了Zn-Mg-Ti中间合金相组成、相形貌及元素分布规律;其次,以纯镁为对象,系统研究了Zn-Mg-Ti中间合金对纯镁微观组织的影响规律;最后,研究Zn-Mg-Ti中间合金对纯镁力学性能及腐蚀性能的影响。论文工作表明,中间合金成分不同时,其第二相形貌及元素分布有显著区别:(1)Zn82.6Mg12.8Ti4.6中间合金主要由MgZn2和“花朵状”Zn-Mg-Ti三元相组成,Zn-Mg-Ti三元相不同部位的成分不一致,Ti元素主要分布于“花瓣”位置,“花蕊”及其他部位不含Ti;(2)Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金主要由MgZn2和块状Zn-Mg-Ti三元相组成,其中Ti元素主要集中在块状相中,其他部位不含Ti元素;(3)两种中间合金中Zn-Mg-Ti三元相熔点约为720℃。探索了Zn-Mg-Ti中间合金添加温度(720℃)一定,添加量分别为3wt.%、5wt.%、8wt.%、10wt.%时,Zn-Mg-Ti中间合金对纯镁组织的影响。结果表明:(1)随着Zn82.6Mg12.8Ti4.6中间合金添加量的增加,铸态镁合金中第二相含量逐渐增多、枝晶数量增加,第二相形态由颗粒状向条状转变。Zn82.6Mg12.8Ti4.6中间合金添加量为8wt.%时,镁合金晶粒最为细小,且随着中间合金添加量的不断增加,挤压态镁合金微观组织不断细化,动态再结晶程度不断提高;(2)随着Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金添加量的不断增加,铸态镁合金枝晶逐渐发达,第二相(Mg-Zn相)数量逐渐增加。随着Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金添加量的增加,均匀化态镁合金晶粒尺寸先减小后增大,添加量为5wt.%时,能获得最细小的显微组织。Zn82.6Mg12.8Ti4.6中间合金比Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金具有更强的晶粒细化能力。镁合金晶粒细化主要归因于溶质原子钛偏聚在固液界面前沿造成成分过冷,抑制晶粒长大。研究了Zn-Mg-Ti中间合金添加量(8%)一定时,添加温度分别为660℃、720℃、760℃时,Zn-Mg-Ti中间合金对纯镁微观组织的影响。研究结果表明:(1)随着Zn82.6Mg12.8Ti4.6中间合金添加温度的不断增加,镁合金第二相由低温沿晶界分布向高温弥散分布转变,且第二相的形态由长条状向球状演变,同时,均匀化态镁合金的晶粒尺寸先减小后增大,添加温度为720℃时,晶粒组织最细小;(2)随着Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金添加温度的不断增加,镁合金枝晶化程度逐渐增加。均匀化态镁合金晶粒不断粗化,第二相分布逐渐弥散化,Ti元素逐渐弥散分布。Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金变质后的镁合金中存在团簇状的富钛相,随着Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金添加温度的升高,富钛相团聚程度减弱。室温下测试了Zn82.6Mg12.8Ti4.6及Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金对挤压态镁合金力学性能及均匀化态镁合金腐蚀性能的影响。结果显示:(1)720℃添加8wt.%Zn82.6Mg12.8Ti4.6中间合金时,能获得最佳的力学性能,镁合金抗拉强度及延伸率分别为308MPa、21.5%,这与添加Zn82.6Mg12.8Ti4.6中间合金后镁合金细小均匀的微观组织及晶界上第二相含量较少有关;(2)腐蚀结果表明,浸泡42h时,分别添加8%Zn82.6Mg12.8Ti4.6、Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金的镁合金腐蚀性明显优于商用ZK60镁合金,但随着浸泡时间的延长,分别添加8wt.%Zn82.6Mg12.8Ti4.6、Zn83Mg13.6Ti3.4中间合金的镁合金腐蚀性能开始恶化。
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