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枝晶组织作为凝固过程中最常见的微观组织,对产品的最终性能有着重要的影响。目前,对具有密排六方晶体结构(hcp)的镁合金的三维枝晶形貌、取向选择等仍不清楚,因此,对镁合金三维枝晶组织进行研究意义重大。本文的主要目的是探究镁合金枝晶组织的生长。论文采用同步辐射X射线断层扫描技术对 Mg-Sn、Mg-Gd、Mg-Al、Mg-Ca、Mg-Ba、Mg-Y 以及 Mg-Zn 合金中α-Mg枝晶组织进行三维表征,利用EBSD技术标定枝晶的优先生长方向,最后采用三维相场方法模拟镁合金的枝晶形貌及其演变过程。通过以上实验和模拟研究得到三个方面结果。对于绝大多数镁合金而言,α-Mg都呈现十八分支的枝晶形貌,其中六个分支在基面上沿着<1120>方向生长,另外十二个分支分居于基面上下两侧沿着<1123>方向生长。其中,<1120>主干可能伴有4个或6个二次晶臂,<1123>主干可能有3个或5个二次晶臂。虽然都具有十八个分支结构,含不同固溶元素的镁基合金枝晶形貌仍存在一定的差异。另外,本文还运用三种相关理论对<1120>和<1123>两个优先方向存在的可能性进行了解释。在Mg-Zn合金中,枝晶的优先生长方向会发生转变。当Zn含量小于等于20wt.%时,α-Mg(Zn)呈现十八分支形貌,沿着<1120>和<1123>方向生长;当Zn含量大于等于45wt.%时,α-Mg(Zn)呈现十二分支形貌,沿着<1123>方向生长,并伴有3个二次晶臂;当Zn含量在20～45wt.%之间时,α-Mg(Zn)枝晶生长并不稳定,有呈藻状生长的趋势,主干方向为<1121>,并有3个<1121>和2个<1012>的二次晶臂。本文还研究发现α-Zn枝晶组织呈现伪十二加二分支的生长形态,这种独特的枝晶形貌也为Mg-Zn合金枝晶生长的取向转变行为提供了支撑。基于三维表征所得到的镁合金枝晶形貌,本文建立了镁合金枝晶的各向异性生长模型,模型中包括ε1、ε2和ε3三个各向异性系数,其中ε1主要改变的是枝晶在c轴的生长,ε2控制枝晶的整体生长倾向,ε3影响枝晶在基面<1120>方向上的生长。模拟结果能很好地展现α-Mg枝晶十八分支、十二分支形貌以及取向转变行为,并与实验结果吻合良好。