第一章文献综述-国家自然科学基金.docVIP

Mg-3Al合金中Mn对碳化铝异质形核的影响机制 詹美清，李克*，王飞，廖建南，吴尚敏，周耐根 （南昌大学 机电工程学院，江西 南昌 330031） 摘要：采用光学显微镜、扫描电镜、EDS能谱和差热分析研究了Mg-3Al合金中AlMn中间相的形貌特征，以及Mn含量对碳质变质剂异质形核作用的影响机制。结果表明：加碳变质处理产生的碳化铝可成为(-Mg的有效形核核心；当合金中的Mn含量小于0.32wt.%时，加碳变质处理能使(-Mg晶粒明显细化，最小平均晶粒度达到66μm，此时形成大量细小的球状和杆状AlMn中间相，有助于晶粒细化；但当Mn含量增加到0.56wt.%时，形成更多粗大的十字花瓣状AlMn中间相。过量的溶质Mn易与A14C3粒子结合形成不利于形核的Al-Mn-C-O复杂化合物，并导致(-Mg晶粒粗化。 关键词：镁合金；Mn；碳化铝；异质形核；AlMn中间相 中图分类号：TG146.2, TB31； 文献标识码：A 镁合金中Mg-Al系合金的应用最为广泛，既包括铸造合金又包括变形合金，具有优异的铸造性能和抗蚀性，但是由于铸态组织中的(-Mg17Al12相固溶处理后的析出强化效果较弱，该系列合金的综合力学性能还有待进一步提高[1-4]。在凝固过程中对(-Mg晶粒进行细化处理可使(相的分布更均匀，是有效提高合金综合性能的方法之一，其中，添加含碳变质剂具有成本低廉、工艺简单、易控制、晶粒细化效果显著等优点[56]。一般认为，含碳变质剂分解出的C与熔体中的Al反应形成大量弥散、难熔的A14C3质点，呈悬浮状态并在凝固过程中充当形核基底[7-9]。 添加合金元素锰可改善Mg-Al系变形合金的抗腐蚀性和延展性，其加入量一般控制在0.6wt.%以下。Mn在Mg中的溶解度非常小且不易和Mg形成化合物，和Al形成的(2-Al8Mn5、ε-AlMn、(-AlMn等化合物粒子均被认为具有一定异质形核作用[10-12]，但同时也有不少研究提出质疑[13,14]。许多研究还表明，Mn、Fe元素与Al4C3、Al-C-O等碳化物之间存在相互作用，直接或间接地影响着碳质细化剂对Mg-Al合金的晶粒细化效果。Tamura和Haitani等[15,16]的早期研究认为微量的Fe或Mn均会与Al4C3发生化学反应形成形核能力更差的Al-C-O-(Fe,Mn)化合物，从而减少熔体中有效晶核的数量，引起晶粒的粗化。Cao等[17]认为微量Mn、Fe可在Al4C3表面成膜并毒化其形核作用，并提出850-900℃的过热处理可使Al4C3表面的Al-Fe-Mn膜重新分解，从而还原Al4C3的晶粒细化作用[18]。与以上观点相反，Liu等[19]认为Mn、Fe与Al4C3相互作用形成的Al-C-O-(Fe,Mn)相才是潜在的形核核心，但并未找到充分的证据证明Al-C-O-(Fe,Mn)化合物由Al4C3转变而来。 本文进行的研究旨在澄清以上争议，进一步利用光学显微镜、扫描电镜和差热分析等手段分析Mg-3Al合金中Al-Mn中间相的形貌特征，探讨Mn含量对碳质变质剂异质形核作用的影响机制。 1 实验材料及方法 在5kW 井式电阻炉内用高纯镁(≥99.97%)、高纯铝(≥99.99%)和Al-10Mn中间合金熔炼配制Mg-3%Al-x%Mn(x=0, 0.1，0.3, 0.6)合金，为防止燃烧，采用SF6+CO2混合气体对熔体进行保护。740℃将MgCO3为主的含碳变质剂加入镁合金熔体，充分搅拌和保温10min，725℃浇注到标准拉伸试样模中。从镁合金试棒中部截取直径约10mm的金相试样，对试样进行T4固溶处理（415℃保温6小时)，以获得清晰的晶界。试样经研磨抛光后，用硝酸+乙酸+苦味酸+水配制的混合溶液腐蚀金相试样表面，按GB-T6394用截线法测定(-Mg的晶粒度。 利用离子体发射光谱仪(ICP-AES OPTIMA 5300DV) 测定试样中的实际Mn含量，结果如表1所示。用F3230型光学显微镜和HITACHI S-3000N扫描电镜对样品进行显微分析，用EDS能谱分析仪进行微区成分分析。用Pyris Diamond TG/DTA 型差热分析仪测定合金的温度变化曲线，A12O3 作为参比，升温速率为10℃/min。 收稿日期：2013- 基金项目：国家自然科学基金，江西省自然科学基金（20114BAB206037）,教育部留学回国人员科研启动基金（第44批） 通讯作者：李克，男，教授，南昌大学机电工程学院，南昌（330031），电话E-mail: like@126.com 表1 Mg-3Al-xMn合金中的实际Mn含量(Wt%) Table 1 The pra