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作为轻质结构材料,Mg-Al系合金常被应用在汽车工业中以替代其他金属材料,但是,Mg-Al系合金较低的强度和塑性变形能力限制了其广泛应用。对Mg-Al系铸态合金进行晶粒细化可同时提高其强度和塑性,但至今仍没有一种可工业应用的高效晶粒细化剂。另外,准确把握Mg-Al系合金碳质孕育法、合金化法和FeCl3法的晶粒细化机理可为有效控制该合金晶粒尺寸提供重要帮助,但上述机理尚不明确。因此,制备一种优良晶粒细化剂和探明众多晶粒细化方法的细化机理具有重要意义。本文利用高倍视频光学显微镜(HSVM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热分析仪(DSC)、电子探针显微分析仪(EPMA)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)分析了采用熔体反应、粉末冶金和高能球磨制备的Mg-Al系合金含碳晶粒细化剂的相组成、微观组织及细化行为,分析了碳质孕育法的晶粒细化机理,研究了Mn、Ce和Fe对Mg-Al系合金富锰相转变和晶粒尺寸的影响。本文的主要研究工作如下：(1)Mg-Al系合金含碳晶粒细化剂制备及细化行为向Al-C熔体中引入Ti元素通过熔体反应法制备了含有Al4C3的Al-Ti-C中间合金(Al-0.6Ti-1C和Al-1Ti-1C),在该中间合金中,TiC颗粒分布在Al4C3周围。中间合金中颗粒相的生成机理是,大部分C首先与Al熔体反应生成Al4C3；当引入Ti后,溶质Ti与Al4C3反应生成TiC,使得Al-C熔体中的Al4C3颗粒尺寸减小,其分布得以改善。相比于含有尺寸为15-30gmAl4C3颗粒的Al-0.6Ti-1C,含有尺寸为4-10gmAl4C3颗粒的Al-1 Ti-1C对AZ31合金有更高的晶粒细化效率因此,适量Ti的加入可提高含有Al4C3的Al-Ti-C中间合金对AZ31的晶粒细化效率。采用粉末冶金法制备的Al-C中间合金(Al-1C和Al-2.5C)中,Al4C3和Al(C)固溶体的混合体分布在Al颗粒界面处,呈现出网状分布的特点。在中间合金制备过程中,部分Al(C)固溶体与Al粉反应生成Al4C3,而Al粉和石墨粉的球磨和压实保证了上述反应的进行。含有尺寸为2-3μm Al4C3颗粒的Al-1C中间合金可有效细化AZ31合金：当加入2wt.%该中间合金后,AZ31的晶粒尺寸由580μm细化为140μm。采用高能球磨制备Al-25C球磨粉末可有效细化Mg-3Al、AZ31(Mg-3Al-1Zn-0.45Mn)和AZ63(Mg-6Al-3Zn-0.35Mn)：当加入0.4wt.%该粉末后,Mg-3Al晶粒尺寸由400gm细化为120μm,AZ31晶粒尺寸由850μm细化至180μm,AZ63晶粒尺寸由650μm减小为170μm。Al-25C球磨粉末在710.4℃下可反应生成Al4C3,当被引入到镁合金熔体中后,会生成Al4C3相。在碳细化Mg-3Al中,细小的Al4C3颗粒充当了初晶a-Mg的异质形核衬底。(2)Mg-Al系合金中富锰相转变及其对α-Mg晶粒尺寸的影响采用Mg-0.72Mn进行Mn合金化不能明显改变Mg-3Al合金的晶粒尺寸。Al0.89Mn1.11颗粒是Mg-3Al-0.3Mn、Mg-3Al-0.4Mn、Mg-3Al-0.5Mn合金中的主要富锰相,并分布在初晶α-Mg基体内或枝晶间区域,且随Mn含量提高富锰相颗粒数量逐渐增加。但上述三种合金与Mg-3Al合金的晶粒尺寸维持在390μm左右,表明Al0.89Mn1.11不是初晶α-Mg的有效异质形核衬底。富锰相在碳细化Mg-Al-Zn-Mn合金中的异质形核衬底形成中起到重要作用,该合金的碳细化机理归因于双相形核：在碳细化AZ31(AZ63)中,表层包裹有Al4C3的Al0.89Mn1.11(或Al8Mn5)分别充当了初晶α-Mg的异质形核衬底,并且界面相Al4C3充当了初晶α-Mg的直接异质形核衬底。Ce合金化可有效细化AZ31：当加入0.4wt.%Ce时,AZ31晶粒尺寸由850gm减小为450μm。Ce的晶粒细化作用是由于在合金凝固过程中,Ce在液-固界面前沿富集产生成分过冷,并阻碍了溶质扩散从而限制了晶粒长大。联合添加Ce和C降低了碳质孕育法对AZ31的晶粒细化效率。Ce促使合金中的富锰相发生了转变,即促使了Al10Ce2Mn7的生成,而抑制了Al0.89Mn1.11的生成,这阻碍了充当初晶a-Mg有效形核衬底的表层包裹有Al4C3的Al0.89Mn1.11的双相形核颗粒的形成。向AZ31合金熔体中引入FeCl3使AZ31发生了轻微的晶粒粗化,并使合金中的富锰相由Al0.89Mn1.11向Al8(Mn,Fe)5转变,还促使Al8(Mn,Fe)5先于初晶α-Mg析出。Al8(Mn,Fe)5不是初晶α-Mg的有效异质形核衬底,其提前析出减少了熔体中的Al含量进而降低了合金凝固过程中的成分过冷,这使由成分过冷带来的晶粒生长阻碍作用有所减弱,最终导致AZ31的晶粒粗化。