【摘 要】
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镁合金中添加纳米颗粒,可显著细化合金晶粒尺寸,同时提高强度与塑性等性能,受到航空、航天、汽车、机械及电子等技术领域的重视。本文通过半固态搅拌与高能超声分散方法制备纳米碳化硅颗粒（n-Si Cp）增强Mg-9Al合金。通过对晶粒组织分析,随着纳米颗粒添加量的增多,晶粒尺寸逐渐细化,当纳米颗粒添加量为1.0 vol.%时,晶粒尺寸细化最为明显,晶粒尺寸约为52μm,相比于基体合金尺寸（144μm）细化
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（No. 51971086）；
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镁合金中添加纳米颗粒,可显著细化合金晶粒尺寸,同时提高强度与塑性等性能,受到航空、航天、汽车、机械及电子等技术领域的重视。本文通过半固态搅拌与高能超声分散方法制备纳米碳化硅颗粒（n-Si Cp）增强Mg-9Al合金。通过对晶粒组织分析,随着纳米颗粒添加量的增多,晶粒尺寸逐渐细化,当纳米颗粒添加量为1.0 vol.%时,晶粒尺寸细化最为明显,晶粒尺寸约为52μm,相比于基体合金尺寸（144μm）细化了约64%。通过对1.0 vol.%n-Si Cp/Mg-9Al复合材料微观组织分析,大部分纳米颗粒分布在晶界附近与β-Mg17Al12相上。依据纳米颗粒与固液界面相互作用模型,颗粒处于固液界面平衡位置时,固液界面临界速率远高于枝晶尖端生长速率,纳米颗粒将会被固液界面推到晶界附近,形成多层纳米颗粒包覆层,抑制溶质扩散、减慢晶粒生长,起到晶粒细化效果。基于尖锐界面理论,开发了二维元胞自动机模型（Cellular Automaton,简称CA）,利用该模型对α-Mg枝晶生长进行模拟。提出了网格各向异性减小曲率算法（MAR）,该算法可以有效克服网格各向异性对计算结果的影响。通过与传统单位矢量变换法（VUVN）进行比较,MAR算法下曲率计算不合理单元占比小于VUVN算法下所得结果。通过实验确定了等效溶质扩散系数（Dl’）。将Dl’代入CA模型中,模拟结果表明:随着Dl’的逐渐降低,晶粒尺寸逐渐降低,与实验所得到的晶粒细化趋势相符合。1.0 vol.%n-Si Cp/Mg-9Al复合材料相比于Mg-9Al合金具有较低的溶质扩散系数、较高的成分过冷、较低的枝晶生长速率、较慢的潜热释放,促进有效形核的产生,达到晶粒细化效果。本论文采用实验表征和模拟相结合的方法揭示了n-Si Cp/Mg-9Al复合材料的晶粒细化机理。多层纳米颗粒包覆层的形成对枝晶的生长及溶质扩散的阻碍起着关键作用。所得结果将为镁合金晶粒细化提供理论参考。
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