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钙与电磁搅拌对Mg-Li-Al合金微观组织和力学性能的影响

来源期刊:中国有色金属学报2010年第6期

论文作者:郝海 姚磊 谷松伟 马蕾娟 张兴国

文章页码:1060 - 1068

关键词:Mg-Li-Al合金;电磁搅拌;凝固组织;力学性能

Key words:Mg-Li-Al alloy; electromagnetic stirring; microstructure; mechanical properties

摘    要:以Mg-8%Li-3%Al合金为基体,研究合金化元素Ca以及Ca与电磁搅拌复合作用对其凝固组织和力学性能的影响,并探讨其化学成分、组织结构和力学性能间的关系。结果表明:合金化元素Ca以及Ca与电磁搅拌复合作用都能改善Mg-8%Li-3%Al合金的凝固组织和力学性能;当铸态合金中Ca含量为0.5%(质量分数)时,合金中β相细小均匀,室温抗拉强度和伸长率分别达到188.93MPa和11.35%;施加80 V电磁场电压以及加入0.5%Ca后,晶粒组织均匀有序,布氏硬度、抗拉强度和伸长率分别为67.5HB、203.8MPa和7.7%。

Abstract: The effects of Ca and combined electromagnetic stirring and Ca on the microstructures and mechanical properties of Mg-8%Li-3%Al alloys were studied, and the relationships among the chemical composition, microstructures and mechanical properties were discussed. The results show that both Ca and combined electromagnetic stirring and Ca improve the microstructures and mechanical properties of Mg-8%Li-3%Al alloys. Adding 0.5% Ca into the as-cast alloys, the β phase becomes thinner, and the tensile strength and elongation reach to 188.93 MPa and 11.35%, respectively. The microstructure is fine and uniform, and the Brinell hardness, tensile strength, and elongation are 67.5HB, 203.8 MPa and 7.7% at electromagnetic stirring of 80 V combined with 0.5%Ca.

基金信息:国家高技术研究发展计划资助项目
教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目
辽宁省自然科学基金资助项目



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文章编号:1004-0609(2010)06-1060-09

钙与电磁搅拌对Mg-Li-Al合金微观组织和力学性能的影响

郝  海,姚  磊,谷松伟,马蕾娟,张兴国

(大连理工大学 材料科学与工程学院,辽宁 116024)

摘  要:以Mg-8%Li-3%Al合金为基体,研究合金化元素Ca以及Ca与电磁搅拌复合作用对其凝固组织和力学性能的影响,并探讨其化学成分、组织结构和力学性能间的关系。结果表明:合金化元素Ca以及Ca与电磁搅拌复合作用都能改善Mg-8%Li-3%Al合金的凝固组织和力学性能;当铸态合金中Ca含量为0.5%(质量分数)时,合金中β相细小均匀,室温抗拉强度和伸长率分别达到188.93MPa和11.35%;施加80 V电磁场电压以及加入0.5%Ca后,晶粒组织均匀有序,布氏硬度、抗拉强度和伸长率分别为67.5HB、203.8MPa和7.7%。

关键词:Mg-Li-Al合金;电磁搅拌;凝固组织;力学性能

中图分类号:TG146.22       文献标志码:A

Effects of Ca and electromagnetic stirring on microstructures and mechanical properties of Mg-Li-Al alloys

HAO Hai, YAO Lei, GU Song-wei, MA Lei-juan, ZHANG Xing-guo

(School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract: The effects of Ca and combined electromagnetic stirring and Ca on the microstructures and mechanical properties of Mg-8%Li-3%Al alloys were studied, and the relationships among the chemical composition, microstructures and mechanical properties were discussed. The results show that both Ca and combined electromagnetic stirring and Ca improve the microstructures and mechanical properties of Mg-8%Li-3%Al alloys. Adding 0.5% Ca into the as-cast alloys, the β phase becomes thinner, and the tensile strength and elongation reach to 188.93 MPa and 11.35%, respectively. The microstructure is fine and uniform, and the Brinell hardness, tensile strength, and elongation are 67.5HB, 203.8 MPa and 7.7% at electromagnetic stirring of 80 V combined with 0.5%Ca.

Key words: Mg-Li-Al alloy; electromagnetic stirring; microstructure; mechanical properties

Mg-Li系合金是目前已知的最轻的合金,它具有较高的比强度、较高的冲击韧性、良好的切削加工   性[1]、良好的电磁屏蔽和减震性能[2]以及较强的抗高能粒子穿透能力等优点,因而受到兵器、宇航、汽车和电子等领域的广泛重视[3]

Mg中由于低密度金属Li的加入,在大大减轻合金质量的同时,合金塑性明显提高[4]。但二元Mg-Li合金的绝对强度较低,易腐蚀,且在室温下即可发生蠕变,限制该合金作为结构材料的使用[5-6]。 向二元Mg-Li合金中加入合金元素,可以改善合金的性能, 其中研究最多的是Mg-Li-Al合金[7-9]。研究表明, 随Al含量的增加,合金的强度也随之增加,塑性却随之降低,当Al含量大于6%(质量分数)时,强度的增加不明显,但塑性却明显降低,故一般认为w(Al)<6%为宜[10-11]。综合考虑合金的强度和塑性,确定Al的质量分数为3%。考虑到共晶成分范围的Mg-Li二元合金具有极优的变形性能,本实验的研究对象确定为Mg-8%Li-3%Al合金。

Ca元素在自然界中含量极其丰富,且具有价格低廉以及密度小等一系列优点,另外元素Ca具有细化晶粒和降低镁合金活性的作用[12-13], 因此研究其对Mg-Li-Al系合金的作用具有重要的现实意义。电磁搅拌改善金属熔体凝固过程中的流动、传热和迁移过程,对合金有较强的组织细化作用,促进合金由枝晶生长转化为细小等轴晶生长,改善合金质量[14-16]

本文作者在前期研究工作的基础上,进一步研究不同Ca含量对Mg-8%Li-3%Al合金的影响以及Ca元素和电磁场复合作用对Mg-8%Li-3%Al合金组织性能的影响。

1  实验

本试验以纯Mg(99.9%)、Li(99.95%)、Al(99.99%)和Ca (99.9%)为原料, 采用覆盖剂(75%LiCl+25%LiF)与氩气相结合的方法, 用钢坩埚(长径比为3?1)在SG25210型井式坩埚电阻炉中进行熔炼。分别熔炼Mg-8%Li-3%Al-(0%,0.5%,1%,1.5%)Ca合金试样。浇注采用倾注法,以SF6标准气体保护,浇注温度为700 ℃。再对Mg-8%Li-3%Al-0.5%Ca合金凝固过程中分别加入不同强度的电磁搅拌,制备不同电磁场下的合金试样:频率为50Hz,电压分别为40、60、80、100 V,搅拌时间为3 min。

金相试样经机械抛光后用4%草酸水溶液腐蚀,在MEF3 型多功能光学显微镜观察合金显微组织;用EPMA-1600电子探针分析仪对试样进行面扫描;用HB-3000型布氏硬度机测试试样的硬度;用WD-10A 电子万能试验机测试试样的室温拉伸性能,拉伸试样按照国标GB/T 16865—1997制备,拉伸速率为1 mm/min,用JSM25600LV型扫描电镜观察断口形貌。

2  结果与讨论

2.1  Ca对Mg-Li-Al合金显微组织的影响

图1所示为不同Ca含量的Mg-8%Li-3%Al合金的铸态微观组织。合金由α+β两相组成。由图1可看出,未加元素Ca时,合金晶粒粗大不均匀;添加0.5%Ca元素时,β相明显细化均匀;当Ca含量增加至1%时,β相变得更加细小;随着Ca含量的增加,当含量为1.5%时,β相数量反而增加且在相界出现黑色析出相。

图1  Ca含量对Mg-8%Li-3%Al合金铸态显微组织的影响

Fig.1  Effects of Ca content on microstructure of Mg-8%Li-3%Al alloys: (a) 0%Ca; (b) 0.5%Ca; (c) 1%Ca; (d) 1.5%Ca

由于检测设备局限,对原子序数较小的Li元素用电子探针检测不到。图2和3所示分别为Mg-8%Li- 3%Al-0.5%Ca和Mg-8%Li-3%Al-1.5%Ca合金的SEM像,通过对合金试样进行面扫描,得到各元素的分布情况。图3中白色块状相是富Mg相,即α相,灰色相即为β相。图2中出现了短棒状、颗粒状的富Ca相,Al相的分布较为均匀;而图3中出现短棒状、颗粒状及狭长鱼骨状的富Ca相,Al相的分布区域部分与Ca相相同。因在镁锂合金中Ca不易与Li发生反应生成新相[17],从而可推测生成的富Ca相为钙与镁或铝形成的化合物。对狭长鱼骨状的新相进行EDS分析(见图4),结果表明此相为Al2Ca相。由此可以看出,含钙量为0.5%时,因Ca为表面活性元素,具有较强的偏聚能力,被排挤到晶粒结晶前沿,与Al形成了Al2Ca相,生成的Al2Ca新相较均匀地以短棒状或颗粒状分布在相界周围,将其部分地包裹起来,抑制晶粒的生长,造成β相的细化。随着Ca含量的增多,生成的Al2Ca相较大部分呈狭长鱼骨状偏聚分布在相界处,产生的细化作用有限。因而,从图1中可看出,Mg-8%Li- 3%Al-1.5%Ca的β相就要比Mg-8%Li-3%Al的细化,但要比Mg-8%Li-3%Al-0.5%Ca的粗大。

图2  Mg-8%Li-3%Al-0.5%Ca合金的EPMA像

Fig.2  EPMA images of Mg-8%Li-3%Al- 0.5%Ca alloys: (a) Map scanning, Mg; (b) Map scanning, Al; (c) Second electron image; (d) BSE image; (e) Map scanning, Ca

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