关键词： ZK61镁合金   Mg-Zr中间合金   组织   均匀性   细化  

摘要： 镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,具有高比强度、高比模量和易回收等优点,被誉为“21世纪绿色工程材料”。在航空航天、轨道交通等领域需要大型镁合金型材以满足产业需求,这就对高质量高性能的大尺寸镁合金铸锭提出了要求。镁合金凝固过程中的组织细化及均匀化问题始终限制其工业化发展,Zr作为镁合金中最有效的晶粒细化剂,主要以Mg-Zr中间合金的形式添加至熔体内。Zr的存在形式及空间分布是影响高性能含Zr镁合金发展的关键因素,其密度差将导致熔炼过程中出现明显的晶粒细化效果衰退现象,从而合金中出现严重的非均质化问题。如何获得组织细小且均匀的Mg-Zr中间合金是制备稳定晶粒细化效果及大型均质化高品质含Zr镁合金铸锭的发展瓶颈。 本文以高强高塑ZK61镁合金为研究对象,首先对比分析两种不同组织类型Mg-30 wt.%Zr中间合金对半连续铸造大尺寸镁合金铸锭凝固组织的细化及均匀化效果,探究中间合金中颗粒Zr在熔体中的运动行为。其次,提出高品质Mg-Zr中间合金设计准则,并基于该准则设计一种新型Mg-Zr中间合金预处理制备技术,改善颗粒Zr及溶质Zr协同细化效果,提高熔体均匀性。随后对比预处理前后中间合金细化及均匀化行为,阐明在熔炼过程中Zr沉降所引发的细化衰退问题,从理论上进一步探讨Zr细化机制。主要研究结论如下: 1.在含Zr量相同的情况下,由于Zr和Mg的密度差影响,中间合金中存在成分偏析,合金锭顶部与底部最大偏差达82.51%。同时,其表面质量及显微组织的差异对ZK61镁合金熔体收得率造成显著影响,浮动区间为20%～40%。针对半连续铸造ZK61镁合金纵向显微组织,由铸锭头部至尾部,晶粒尺寸整体呈现为头部<中部<尾部的趋势,最大尺寸偏差近30%。采用不同中间合金制备的半连铸ZK61合金锭纵向方向晶粒尺寸偏差～3%,使用颗粒Zr更细小均匀的中间合金,其合金铸锭晶粒尺寸沿纵向粗化率稳定。此外,铸锭头部Mg7Zn3及Zn Zr2相体积分数占比最高,Zn Zr2相在头部及中部含量趋于稳定,约占0.23%,底部Zn Zr2相占比减少,不同中间合金所细化的ZK61合金中Zn Zr2相纵向占比偏差值出现明显差异,二者相差近40%。 2.在温度梯度及磁感应力的作用下,ZK61大尺寸铸锭（Φ525 mm）中部横向晶粒尺寸整体呈现出边缘<芯部<1/2R的趋势。Zr在铸造过程中受到电磁力的作用向芯部偏聚,导致芯部晶粒尺寸小于1/2R,铸锭芯部含Zr金属间化合物占比最大（0.19%～0.23%）。使用不同中间合金产生的中部横向显微组织偏差亦有差异,采用团簇占比较大的中间合金所制备的ZK61镁合金铸锭,由于芯部形核核心增加,晶粒尺寸减小,导致横向偏差小,仅为～10.15%。整体而言,中间合金对ZK61大尺寸铸锭显微组织细化及均匀化的影响主要来源于小尺寸颗粒（<5μm）Zr的数量密度及其空间分布。 3.本文提出了一种高品质Mg-Zr中间合金设计准则:小尺寸颗粒Zr（<5μm）占比大且分散均匀、团簇Zr占比小、溶质含量高及杂质少。基于此,探索新型Mg-Zr中间合金预处理工艺,成功制备出高品质Mg-Zr中间合金。其中,团簇Zr占比仅为2.88%,粒径>5μm的大尺寸颗粒Zr数量密度减小,整体组织得到明显细化。对比预处理前后中间合金的沉降行为及细化效果,结果表明预处理态中间合金在静置60 min后,相同位置下Zr含量仅减少0.07 wt.%,有效缓解了Zr沉降所导致的细化衰退。此外,溶质Zr含量明显增加,其具有更强的生长抑制效应;同时,通过搅拌后团簇Zr中的细小颗粒得以破碎分散,能够提供更多的形核核心,空间间距分布更加均匀,提高了Mg-Zr中间合金利用率,实现了颗粒Zr及溶质Zr协同细化效果改善的目标,成功制备出组织细小且均匀的ZK61镁合金。

关键词： ZW61镁合金   电脉冲处理   再结晶   晶粒细化   组织与力学性能  

摘要： 镁合金作为最轻的金属结构材料,具有较高的比强度和比刚度,有较强的抗震、防电磁、导热、导电等优异性能,并且可以全回收无污染。然而,镁合金虽然优势很明显,但其主要缺点还在于常温下塑性差。电脉冲处理具有加热速度快、作用时间短等优点,在降低屈服应力、损伤回复、相变、回复与再结晶等方面有着传统热处理不能比拟的优势,其电致塑性可大幅提升镁合金的塑性变形能力。本文通过热挤压与冷轧的塑性变形与电脉冲处理相结合,研究了不同脉冲时间、电流密度、脉冲宽度对ZW61镁合金微观组织与力学性能的影响。本文的主要结论如下: (1)试样表面测温点的最高温度与电流密度、脉冲宽度呈正相关关系,改变脉冲时间并不能够增大试样表面测温点的最高温度。当试样两边接通电路以后,电子以产生焦耳热的方式对试样做功,此时试样表面以辐射、对流和热传导的方式同时对外进行散热,但散热的速度低于焦耳热产生的速度,表现在电脉冲处理过程前期,试样表面迅速升温。而在过了一定时间后,试样表面因热传导、热辐射和对流换热的散热与脉冲电子流对试样做功,引起的焦耳热达到平衡,此时试样表面温度在一定范围内上下浮动,但变化幅度不大。因此,只有通过加大电参数,才可以使脉冲电流对试样表面做功增加,才可以增大电流的热效应。 (2)电脉冲处理促使变形ZW61镁合金发生再结晶,但存在阈值,超过了阈值以后脉冲电流会促使变形合金发生部分再结晶→完全再结晶→晶粒长大三个过程。高能电脉冲处理作用是在热效应和非热效应共同作用下促使变形ZW61镁合金发生再结晶,非热效应的作用效果要远超过热效应的作用效果。 (3)电脉冲处理的非热效应可以有效的降低再结晶晶粒的形核势垒,并且增加原子的扩散通量,因此,本实验最低温度为32℃时,ZW61镁合金就可以发生再结晶现象。电脉冲处理的ZW61镁合金不到三分钟就发生了完全再结晶,其效率远远高于常规热处理,并且再结晶晶粒来不及长大,从而促使变形ZW61镁合金组织得到有效细化,促使轧制态试样平均晶粒尺寸由5.5μm细化至2.4μm。 (4)电脉冲处理后变形ZW61镁合金基体并无新相析出,电脉冲处理可以诱导ZW61镁合金的第二相颗粒析出和回溶。当电参数较小时,增大电参数使EX-ZW61试样准晶Z-Mg3YZn6相含量从3%降低至1%,第二相颗粒回溶进入基体,具有很好的固溶强化效果。进一步增大电参数,又促使准晶Z-Mg3YZn6相含量从1%增加至4%,电脉冲处理可以对ZW61镁合金的第二相含量及分布实现调控。 (5)轧制态变形ZW61镁合金存在明显的加工硬化现象。电脉冲处理后,当电参数较低时,有利于ZW61镁合金组织发生部分再结晶,材料应力得到部分释放,合金屈服强度呈下降趋势,伸长率得到提高,合金得到一定程度的塑韧化。当电流密度达到1360A/mm2、脉冲宽度1500μs、脉冲时间2min时,ZW61镁合金的屈服强度、伸长率均得到一定程度的提高,屈服强度从原始轧制态的369.3MPa提升至388.6MPa,伸长率由7.3%提升至10.2%。由此可见,电脉冲处理为变形镁合金的强韧化提供了一种新方法。 (6)挤压态、轧制态与电脉冲态ZW61镁合金的容抗弧类似,其电化学腐蚀类型相同。经过电脉冲处理后,EX-EPT-3试样的腐蚀速率从EX-ZW61试样的0.39967mm/a降低至0.13551mm/a;CR-EPT-3试样的腐蚀速率从CR-ZW61试样的0.72722mm/a降低至0.20242mm/a,ZW61镁合金的耐腐蚀性能均有一定程度的提高。

关键词： 镁合金   脉冲激光点焊   工艺机理   焊点排布  

摘要： 本文从AZ31镁合金脉冲激光单点焊出发,设置不同的峰值功率、脉冲时间、离焦量以及预热温度探究最佳点焊参数。并利用该参数进行进一步多焊点的排布方式研究,以求提升1 mm厚AZ31镁合金脉冲激光点焊搭接接头力学性能。本文主要研究内容如下: 首先,利用ANSYS有限元模拟软件中的APDL模块对镁合金脉冲激光单点焊温度场进行数值模拟分析。研究结果表明:熔池峰值温度与峰值功率、脉冲时间以及预热温度成正比,最大值分别为2241.43℃、1616.31℃以及1829.88℃;但与离焦量成反比,0 mm时达到最大值1326.25℃。 其次,通过设置不同峰值功率、脉冲时间、离焦量以及预热温度,研究其对点焊接头形貌以及焊接缺陷的影响,定量分析焊接参数对焊点成型机理的影响。研究结果表明:峰值功率增大,点焊吸收率升高（0.79-0.93）,焊点熔深增大（1.14-2.00 mm）;脉冲时间延长,焊点整体尺寸增大,尤其是结合面宽度（0-0.45 mm）,熔池内部反冲压力升高（2.41-63.52 N/m）,表面张力降低（339.297 P0-117.84P0）,焊接缺陷敏感性整体下降;离焦量增大,焊点熔深降低（2–1.14 mm）,但结合面宽度增长幅度较大（0.38–0.83 mm）,此外,凝固裂纹敏感性降低（1.71mm-0.72 mm）;预热温度对焊接缺陷敏感性影响最大,预热温度升高,熔池冷却速度减缓（133358.2℃/s–93872.17℃/s）,裂纹长度与气孔面积均大幅度降低（1.43–1.02 mm;0.07–0.01 mm2）。 再次,使用扫描电镜、万能试验机以及能谱仪等设备对不同参数下焊点显微组织、拉剪性能、断口形貌以及元素分布进行分析。研究结果表明:焊点截面显微组织主要分为熔合线处柱状晶区、中心等粗大轴晶区、中心柱状晶区以及中心细小等轴晶区。峰值功率增大,熔合线处柱状晶尺寸减小（139.81–63.72μm）,中心细小等轴晶尺寸增大（18.22–43.74μm）;脉冲时间对熔合线处柱状晶尺寸影响较大（57.87-165.25μm）;离焦量增大,熔合线处柱状晶尺寸先减小后增大,0.5 mm时达到最小值104.43μm,等轴晶尺寸变化较小;预热温度升高,熔合线处柱状晶尺寸先减小后增大,100℃时达到最小值98.34μm。受到焊点缺陷以及显微组织的影响,焊点抗拉剪性能差异较大;断口显微形貌表明断口内部韧性断裂特征占比越大,点焊接头力学性能越好。综合以上几方面研究得出最佳焊接参数为:预热温度200℃,峰值功率2.5 k W,脉冲时间6 ms,离焦量0.5 mm。 最后,利用上文中所得最佳参数进行焊点排布实验。设置不同焊点数量、间距以及排数,测试其拉伸性能。研究结果表明:综合考虑焊点可靠性以及经济性,焊点数量应控制在15个以内,焊点间距应尽可能设计为在搭接面均匀分布,焊点排数不应超过5排。