【摘 要】
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Mg-Al-RE(稀土)合金作为耐热镁合金因其理想的轻质、高比强度和高温性能在汽车、航空航天和3C产品中发挥着不可替代的作用。其中Ce是一种成本较低而强化性能好的稀土元素,在镁合金中广泛应用。在早期的研究中,学者认为在AE合金中,镁基体中Mg17Al12相的析出是高温性能恶化的主要原因。然而,高温下Al对镁合金的作用复杂,缺乏系统研究。本文的研究是通过相图模拟计算辅助合金成分设计和热处理制度优化,
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Mg-Al-RE(稀土)合金作为耐热镁合金因其理想的轻质、高比强度和高温性能在汽车、航空航天和3C产品中发挥着不可替代的作用。其中Ce是一种成本较低而强化性能好的稀土元素,在镁合金中广泛应用。在早期的研究中,学者认为在AE合金中,镁基体中Mg17Al12相的析出是高温性能恶化的主要原因。然而,高温下Al对镁合金的作用复杂,缺乏系统研究。本文的研究是通过相图模拟计算辅助合金成分设计和热处理制度优化,再熔炼获得合金,研究其微观组织与力学性能,在成分优化后得到一种高铝含量的镁合金,并佐证适当提高Al的添加量并结合热处理工艺可能是提高Mg-Al-RE耐热铸造镁合金高温性能的一种途径。(1)本文首先利用相图模拟计算了不同温度下AE44,AE64,AE84的平衡凝固相图,发现随着温度升高,Al元素在Mg基体中的固溶度增大,组织中Mg17Al12相开始析出的Al成分极限点逐渐增大。分析后提出适当提高Al的添加量可增大其固溶效果,提高Mg-Al-RE耐热铸造镁合金的高温性能。然后根据其凝固相图设计热处理工艺制度,并对温度高低和保温时长进行研究,确定固溶处理温度为370oC,保温时间为24小时;时效温度为160 oC,时效时间为12小时。(2)接着,熔炼得到多种成分的Mg-Al-Ce合金,利用XRD、SEM和TEM等技术对合金进行分析。研究表明微量Mn元素的添加可以纯净熔体,有效提高Mg-Al-Ce合金的力学性能和时效淬透性,固溶态和时效态合金的室温性能得到明显提升。高铝元素含量的Mg-Al-Ce系镁合金铸造性能优良,铸态力学性能优秀,热处理工艺可以明显改善其室温和高温力学性能。同时Al的增加使得组织中固溶强化作用增大,高温下强化效果更加明显。与模冷合金相比,快速凝固合金的组织更加致密,拥有比重力铸造合金更优秀的高温性能。在150 oC的最大抗拉强度均达到184 MPa。(3)最后根据前期实验的组分优化结果,择优选择Mg-8Al-4Ce-0.2Zn-0.2Mn合金作为研究对象。合金组织主要为Mg17Al12相、Al11Ce3相及Al2Ce相,此外还有少量含Al10Ce2Mn7颗粒。该合金具有良好的室温和高温性能。室温下时效态合金抗拉强度达到233 MPa。TEM观察可发现时效过程棒状Al11Ce3相上生长出大量Al8Ce Mn4纳米颗粒。说明Al含量的增加可以使合金结构具有较大的可调性。通过调节Al元素的固溶和析出使强化效果更明显,足以掩盖高铝含量下的Mg17Al12弱化效应,可以获得综合力学性能更加优异的合金,该结果和相图模拟结果一致。此外,还结合大量文献,绘制了指标对比图研究该合金的应用前景,发现该成分合金高温拉伸性能优于常见的低成本轻稀土耐热镁合金,该成分具有开发潜力,为低成本高强度的新型耐热镁合金的体系设计思路提供实验依据和理论指导。
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