关键词： 原位合金化   选区激光熔化   稀土镁合金   成形性   成分均匀性  

摘要： 选区激光熔化（Selective laser melting,SLM）成形稀土镁合金可以较好地解决压铸等传统加工方式形成的组织缺陷。但由于镁合金的活性较强,采用气雾化法或等离子旋转电极法制备预合金粉末容易产生镁元素烧损、氧含量高等问题,而机械制粉加球磨法也存在制粉周期长、球形度低的问题。研制开发新的粉末原料制备方法是扩大镁合金SLM应用的迫切需求。 原位合金化是通过成分设计将现有商业粉进行混合配比作为粉末原料进行SLM制造合金成形件,该技术有望解决上述传统粉体制备过程存在的问题。但是,当前多组元稀土镁合金SLM原位合金化成形工艺研究报道尚少。 本文以Mg、Y、Sm、Zn、Zr单质商业粉末为原材料,采用SLM原位合金化方法制备了Mg-3.4Y-3.6Sm-2.6Zn-0.8Zr多组元稀土镁合金块体。对不同工艺参数下熔道和块体的成形工艺进行了探索,并通过扫描电子显微镜（SEM）、真实色共聚焦显微镜、显微硬度仪等设备,分析了原位合金化试样的成形性、微观组织和力学性能。主要结论如下: 单道次熔道在扫描速度（V）为300mm/s下,激光功率（P）为60W和80W可获得稳定表面光滑的熔道。随着P的增大,熔池深度和宽度逐渐变大,在100W时熔池变为为匙孔模式,其他情况熔池均为传导模式。对于多道次熔道,扫描间距为80μm具有更好连接性,并在P为80W和100W时,表面质量最好,无缺陷和球化。多道次熔池是两个单道次熔池的组合,与单道次熔池的规律相似。 原位合金化块体样品的致密度随着能量密度（E）的增加而升高,在E为166.6J/mm3（P=80W,V=300mm/s）时试样的致密度到达最高为98.71%。试样的表面形貌,与致密度有着相同的规律,在致密度高时,孔隙和未熔颗粒最少。试样粗糙度,在80W时最小Ra=9.2,扫描速度对粗糙度的影响较小。试样的成分均匀性,在V=300mm/s的条件下,在P=80W时最接近目标成分,成分偏差最小。在P=80W的条件下,扫描速度对成分均匀性的影响较小,在V=600mm/s成分偏差最低。 原位合金化样品的物相是由Mg基体、Y-Zr-O稀土氧化物和共晶相（Mg,Zn）3（Y,Sm）组成。微观组织多为细小的等轴晶,随着能量密度的增大,晶粒尺寸增大,平均晶粒尺寸为1.5μm。在最大致密度时原位合金化成形试样的显微硬度（98.97HV）大于铸态（81.5HV）略小于预合金粉末成形试样（105HV）,压缩屈服极限和强度极限分别为321MPa和441MPa优于预合金粉末成形试样,拉伸极限强度最高为85MPa低于预合金粉末成形试样。

关键词： 镁合金   微观组织   力学性能   腐蚀性能  

摘要： 本文以非稀土低合金化Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn（x=0.45,1.1,1.6 wt.%）镁合金为研究对象,通过铸造、固溶、变形（挤压、轧制）处理等方法制备了不同的微观组织结构（晶粒尺寸、织构、第二相等）的材料,研究了典型微观组织特征对力学性能和腐蚀性能的影响作用和微观机理,为发展新型的非稀土高性能镁合金提供一定的理论基础和实践依据。 研究表明,随Zn元素含量增加,铸态Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn（x=0.45,1.1,1.6wt.%）合金的耐蚀性能逐渐减弱。这与合金中相组成有关,随Zn含量增多合金中第二相由Mg2Ca相逐渐转变为Ca2Mg6Zn3相。Ca2Mg6Zn3相作为阴极,基体作为阳极,在微电偶腐蚀作用下,基体被加速腐蚀。随着Zn含量增加,铸态Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn合金的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率均得到提升,这应该是晶粒细化和第二相共同作用的结果。 经过固溶处理后,铸态Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn（x=0.45,1.1,1.6 wt.%）合金中大量第二相（Mg2Ca、Ca2Mg6Zn3）溶于基体中,形成均匀等轴的晶粒组织。与铸态合金相比,固溶处理后的合金耐腐蚀性能明显提高,这与第二相减少后微电偶腐蚀作用减弱有关。其中通过失重法测试的固溶态Mg-0.45Zn-0.5Ca-0.4Mn的腐蚀速率为0.922 mm/y,较铸态腐蚀速率降低了12%,远低于商用AZ31合金。此外,固溶处理后合金的室温塑性明显增强,屈服强度减弱,主要原因是经固溶处理后第二相重溶于基体、形成过饱和固溶体,使屈服强度降低,此外均匀的晶粒组织促使变形过程均匀性。 挤压工艺制备的Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn（x=0.45,1.1,1.6 wt.%）合金中晶粒得到显著细化（约5μm）,形成了极轴沿法向向挤压方向偏转30-55°的基面织构,其中Mg-1.1Zn-0.5Ca-0.4Mn合金力学性能最佳,沿轧向抗拉强度为163.43 MPa,室温断裂延伸率约40%。挤压制备的三种合金力学和腐蚀性能均表现出一定的各向异性。其中沿TD（横向）的强度高于ED（挤压方向）,而沿TD的塑性明显低于ED,主要因为织构中极轴向挤压方向偏转更大、适合基面滑移激活。此外,ED-TD面的耐腐蚀性能优于TD-ND面,主要因为ED-TD面以（0001）晶面为主,TD-ND面以（10-10）和（11-20）晶面为主,（10-10）和（11-20）晶面溶解速率比（0001）晶面溶解速率更高。 轧制制备的Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn（x=0.45,1.1,1.6 wt.%）合金板材以变形态组织为主,形成了极轴向横向偏转的基面织构,后续短时固溶后三种合金的织构强度明显减弱、织构分布更加散漫,获得了均匀的完全再结晶组织。T4处理的轧制合金板材在170℃等温时效时,表现出良好的快速时效效果,其中170℃-3 h就达到第一个时效峰值。此时Mg-1.1Zn-0.5Ca-0.4Mn合金获得最佳综合力学性能,其中屈服强度、抗拉强度、断裂延伸率分别为247.49 MPa、311.06 MPa、29.83%。 经过不同预应变的三种Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn（x=0.45,1.1,1.6 wt.%）合金均表现出优异的烘烤硬化性（BH值）,其中BH值高达70-80 MPa,优于目前文献报道的其它镁合金。轧制制备及后续热处理的Mg-xZn-0.5Ca-0.4Mn合金中微观组织影响因素较多,耐腐蚀性能没有呈现明显的规律性。

关键词： AZ63镁合金   腐蚀行为   热处理   合金化  

摘要： 镁合金由于其强度高、密度低等诸多优异特性,已经广泛应用于汽车、3C、生物医药、阳极材料、航天航空等领域。我国是世界上镁矿资源最丰富的国家之一,在镁合金开发和产业化方面具有得天独厚的优势。同时,镁合金具有良好的储能性能,在实现“碳中和”和“碳达峰”双碳战略中有广阔的应用前景。众多镁合金中AZ63（Mg-6 wt%Al-3 wt%Zn）因其具有优异的电化学和机械性能,是目前商业中应用最广泛的镁合金之一。本论文以AZ63镁合金为研究对象,通过物理表征、浸泡实验和电化学测试等方法,系统研究了热处理对含1 wt%In的AZ63镁合金以及1 wt%In-1 wt%Y/1 wt%In-1 wt%Nd共掺杂对AZ63镁合金的微观组织和电化学行为的影响机制,主要的研究内容如下: （1）研究了In和Y的协同作用对镁合金腐蚀行为的影响。Y会在镁合金中形成Al2Y相,作为阴极相会与镁基体产生较强的微电偶腐蚀。In和Y的共合金化通过促进离散的Al2Y相和连续的Mg17Al12相的析出而细化了AZ63的晶粒尺寸;在腐蚀过程中,α-Mg晶粒与Al2Y/Mg17Al12之间由于电位不同,存在电偶腐蚀,腐蚀从与第二相相邻的α-Mg开始;AZ63In Y的腐蚀速率较高是因为其表面产生了具有黏附作用的产物膜,在产物膜下In通过的“溶解-再沉积”作用形成了自催化电池,持续活化AZ63镁合金溶解。 （2）研究了In和Nd元素对AZ63镁合金腐蚀行为的协同影响。通过微观结构观察和XRD测试发现Al2Nd与Mg17Al12在结晶过程中存在竞争机制,虽然In可以促进Mg17Al12相的析出,但是Nd的添加会通过生成Al2Nd相降低Mg17Al12相的数量。生成的Al2Nd与镁基体之间存在更强烈的微电偶腐蚀作用;In的合金化会导致镁合金腐蚀产物膜存在较大的缺陷,导致电解液与镁基体的直接接触,破坏了产物膜的腐蚀防护作用。由于腐蚀产物膜与镁基体之间的空间相对狭窄,形成了闭塞腐蚀电池,In可以通过“溶解-再沉积”机制对镁基体进行持续活化。In和Nd对AZ63镁合金的共合金化对促进AZ63镁合金的腐蚀存在协同促进作用。 （3）研究了固溶和时效处理对含有1 wt%In的AZ63镁合金的腐蚀电化学行为的影响。热处理可以显著改变镁合金的微观组织和表面形貌特征,固溶处理使铸态镁合金中的Mg17Al12第二相溶解于镁基体,表现为均匀腐蚀形式。时效处理后析出更多的第二相虽然有共晶α相包裹,但本质上仍提高了阴极相的数量,进而提高了腐蚀速率。另外,经过热处理后,镁合金中的腐蚀产物膜均存在不同程度的缺陷,这为电解液直接接触镁基体提供了通道。

摘要： 专利号:ZL202111003176.9专利权人:宝山钢铁股份有限公司设计人:阎元媛 孟庆格 戴竞舸黄俊杰 赵顺利 张钦钊李招余一种用于通用继电器的镀覆锌镁合金镀层的免磁化退火电磁纯铁钢板及其制造方法，获得带有锌镁合金镀层的高厚度精度电磁纯铁，其具备良好的磁性能和耐蚀性，且加工后零件切口处裸露的基体也具有一定的耐蚀性，可直接加工成以继电器为代表的轭铁、衔铁零件，省去了常规电磁纯铁制备成零件后需要再进行磁化退火及电镀涂装等后处理工艺，缩短了制造流程，提升了生产效率，减少了环保投入，降低了零件成本。

关键词： 海洋腐蚀   镁合金   腐蚀行为   微弧氧化   耐蚀涂层  

摘要： 随着海洋装备轻量化需求的增加,综合性能优异的镁合金作为最轻金属结构材料,获得了广泛的应用。然而,镁合金具有化学性质活泼、耐腐蚀性差的特点,在不同的环境介质中,镁合金的腐蚀规律及机理会存在差异,研究镁合金在不同介质中的腐蚀规律及机理对镁合金在海洋环境中实验研究的开展具有重要意义。而镁合金耐腐蚀性差的特性也限制了其在海洋环境中的进一步应用,所以通过表面处理技术在镁合金表面制备涂层来提高镁合金的耐蚀性是非常必要的。微弧氧化技术作为一种新兴的表面处理技术,能在镁合金表面形成结合力好、硬度高、耐腐蚀性强的陶瓷层。但镁合金通过微弧氧化技术制备的涂层功能往往具有单一性,因此对镁合金微弧氧化陶瓷层表面进行改性处理进而制备多功能复合涂层更有助于镁合金的进一步应用。 本研究使用Mg-xY（x=3、5、7wt.%）合金作为基体材料,通过浸泡失重实验、电化学测试以及微观组织结构分析等方法,研究了Mg-xY（x=3、5、7wt.%）在3.5%Na Cl溶液、天然海水和海洋大气环境中的腐蚀规律及机制。在Mg-Y二元合金表面采用新型微弧氧化技术成功制备了MgO@NbO复合涂层,并在该复合涂层的基础上成功制备了MG（改性石墨）-NbO-MgO复合涂层。本研究使用了SEM、EDS、XRD、SKPFM、RS和CLSM等多种测试方法,分别研究了两种复合涂层的微观组织结构、成分以及粗糙度。此外,还利用了电化学测试方法分析了这两种涂层的耐腐蚀性能。针对Mg-Y二元合金MgO@NbO复合涂层,进行了水热实验测试其耐高温干湿交替腐蚀性能。通过电导率测试和矢量网络分析仪,研究了Mg-Y二元合金MG（改性石墨）-NbO-MgO复合涂层的导电性和吸波性能。研究结果表明: （1）Mg-Y二元合金在溶液浸泡环境中的腐蚀行为与大气环境中的腐蚀行为存在明显差异。这种差异的成因是镁合金腐蚀过程复杂,取决于腐蚀环境因素和镁合金微观结构的综合影响。腐蚀过程始于点蚀,可能会演变成均匀腐蚀形态或局部腐蚀形态。 （2）添加NbO降低了微弧氧化电解液的导电性。随着NbO浓度的增加,MgO@NbO复合涂层的微孔直径、孔隙率和粗糙度均减小。该复合涂层由氧化镁和氧化铌组成。 （3）与不含NbO的Mg-Y二元合金微弧氧化涂层相比,MgO@NbO复合涂层的腐蚀电压升高,腐蚀电流减小。这种复合涂层有效提高了Mg-Y二元合金的耐腐蚀性。当NbO浓度为2 g/L时,微弧氧化涂层的耐腐蚀性能表现最佳。由于NbO具有稳定的晶格结构、出色的氧化还原性和高熔点等特性,MgO@NbO复合涂层的耐水热性能得到了显著提高。 （4）与MgO@NbO复合涂层相比,MG-NbO-MgO多功能复合涂层的腐蚀电压升高,腐蚀电流减小。这种多功能复合涂层进一步提高了Mg-Y二元合金的耐腐蚀性能。当MG涂层厚度为10 um时,涂层的耐腐蚀性能达到最佳水平。 （5）MG-NbO-MgO多功能复合涂层具有导电性。随着MG涂层厚度的增加,涂层的导电性逐渐增强,主要是因为MG涂层的导电性取决于隧道效应和导电网络。当微弧氧化MG涂层厚度达到20 um时,MG涂层的阻抗匹配性最佳,电磁波能够更好地进入MG的内部吸收,从而导致RL值降至最小,表现出出色的吸波性能。

关键词： ZE30镁合金板材   热拉深试验   动态塑性成形   组织演变  

摘要： 镁合金以其质量轻、比强度和比刚度高、减震和导热性能好等一系列优点在航空航天、电子通讯等领域具有广泛的应用前景,被誉为是21世纪最具有开发和应用潜力的金属材料。但镁合金为密排六方晶体结构,室温塑性加工能力较差,从而限制了其应用。通过塑性加工方法制得的镁合金产品具有较好的力学性能和表面质量,因此探究镁合金板材的塑性成形工艺和成形性能具有重要的意义。 本文首先研究了ZE30镁合金板材的拉伸流动行为,结果表明,随温度的升高,板材的流动应力降低,延伸率提高,随变形速率的升高,板材的流动应力上升,延伸率下降。板材断裂机制随变形温度的上升由脆性断裂转变为韧性断裂,塑性提升。 其次,通过有限元仿真和实验分析了不同工艺参数对准静态流体介质拉深的影响,确定了最佳成形工艺参数:当压边间隙为1.2t或压边力1KN、温度260℃、拉深速度5mm/min、润滑剂选用聚四氟乙烯的条件下能够成形最大极限拉深比为2.72的拉深件。 再次,结合数值模拟进行动态流体介质冲击成形和动态/准静态流体介质复合拉深成形试验发现:介质填充高度越低板材成形高度越高,10mm、20mm介质高度可为板材成形提供有利切向力,提升板材成形性;介质浓度越高能促进板材向凹模内流动提高了壁厚均匀性;成形温度上升板材流动性加强成形高度随之上升,但温度过高成形区壁厚不均匀化程度提升;冲击能量越大板材成形高度越高板材变形更加充分。在25℃下以能量为0.25KJ、0.40KJ、0.55KJ的动态冲击成形件能够继续在准静态最佳参数条件下进行拉深,且与准静态拉深件相比壁厚分布更加均匀。进行典型件成形,拉深件法兰区完全进入凹模后底部进行贴模底部圆角区产生应力小不宜破裂,与贴模前相比最大减薄率增加2.1%。 最后,对不同方式成形后的拉深件进行变形机理分析,ZE30镁合金的变形有拉伸孪晶和压缩孪晶的共同参与,室温成形孪晶密度最大,随着温度的上升,孪晶密度下降,220℃出现大量动态再结晶,晶粒显著细化硬度最高,而260℃下仅有少量孪晶和动态再结晶,硬度下降但仍高于原始板材硬度。动态冲击成形引入大量孪晶且其密度随冲击能量的增加而增加,动态/准静态复合拉深成形后孪晶界出现大量动态再结晶显著细化晶粒与准静态拉深相比底部和壁部硬度分别提升3.74HV和12.43HV。

关键词： 孔隙率   多孔Mg-1Zn-1Ca-xMgO   力学性能   降解性能   生物相容性  

摘要： 镁合金支架因其优异的机械性能、可降解性和良好的生物相容性在骨科领域受到广泛关注,作为一种潜在的骨组织工程支架,多孔镁合金支架材料具有良好的生物降解性、生物相容性和优异的力学性能,被认为是一种有吸引力的骨修复材料。对于传统的渗流铸造法来说,因其便捷的操作,较低的成本,被引用到本篇研究当中去,本实验通过采取渗流铸造法,制备了以Mg-1Zn-1Ca-0.5Mn为基体的多孔镁合金支架,并进一步研究其力学性能、降解性能以及生物相容性等,为了进一步探讨椭圆形规则支架和方形支架的性能优劣,以及孔径和孔隙率对支架力学性能和降解性能的影响,进行以下实验: （1）本实验首先通过对球形支架和方形镁合金支架进行了对比研究,选取的两种盐颗粒尺寸均在450～600μm之间,并且得到的两种多孔镁合金支架的主要孔径在450～603μm之间,球形支架的连通孔孔径在100～150μm,而方形支架的连通孔在50～200μm,球形支架的孔隙率在70.02%,方形支架的孔隙率在71.24%,满足实验预期要求。根据对比研究得出:两种支架的力学性能差距不大,球形支架的屈服强度在13.5 Mpa,弹性模量为0.21 GPa,方形支架的的屈服强度为4.9 Mpa,弹性模量为0.27 GPa,方形支架的抗压强度21.9 Mpa,球形支架的抗压强度为17.8 Mpa,但是根据腐蚀实验得知,球形支架的降解性能优于方形支架,这可能与其球形连通性有关。 （2）通过对比得出球形支架与方形支架的力学性能相差较小,但球形支架的耐腐蚀性能要好,进而引出MgO增强体材料进一步对多孔镁合金支架进行优化,设计出Mg-1Zn-1Ca-xMgO（x=0,0.5,0.7,1）四种多孔镁复合材料支架,在这四种多孔镁复合材料支架之中,最优的Mg-1Zn-1Ca-0.5MgO支架的显微硬度是68.7,屈服强度为11.99 MPa,抗压强度为62.2 MPa,延伸率为44.80%,弹性模量为0.2 Gpa。 （3）通过对比研究得出合金成分为Mg-1Zn-1Ca-0.5Mn的性能是最好的,因此选择此材料为基体,制备NaMg F3涂层来进一步调控多孔镁合金支架的降解行为,并且得到了良好的生物相容性,在进行进一步的植入实验。