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镁合金具有很多优点,如密度小,电子屏蔽能力强,阻尼减震性能好,机械加工方便,使其在汽车、电子、航空等领域获得了越来越广泛的应用。但镁合金也存在自身的强度低、脆性大、耐蚀性差和高温性能差等缺点。研究表明,通过晶粒细化的方法,可以有效改善镁合金的性能,因此研究镁合金晶粒细化,对推动镁合金的应用具有重要意义。
在隔绝空气的条件下采用粉末原位合成工艺,利用Mg-Ti-B三元体系和Mg-Ti-B-Ce四元体系,分别制备了具有良好界面的Mg-TiB2及Mg-TiB2-Ce中间合金,并利用XRD、SEM和EDS分析了中间合金的物相组成、微观形貌及微区成分。Ce的加入可减小中间合金中TiB2颗粒的尺寸并改善其分布。
以目前应用最广泛的AZ31B、AZ91D镁合金作为研究对象,选用原位制备的Mg-50％TiB2(本文中间合金中TiB2质量分数均为50％)及Mg-TiB2-X％Ce中间合金为细化剂,研究其对镁铝系合金组织的细化作用及性能的影响。此外,研究了Mn、Fe对TiB2在AZ91D合金中的细化效率的影响,并探讨了相应的晶粒细化机制。
利用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析等手段分析了合金的显微组织。结果表明,Mg-TiB2可有效细化AZ31B、AZ91D镁合金的晶粒。在AZ31B镁合金中加入时1.8％(Mg-TiB2),晶粒尺寸由370μm减小到154μm。而加入1.2％(Mg-TiB2-10％Ce)时,晶粒进一步减小到147μm。在AZ91D镁合金中加入1.2％(Mg-TiB2),晶粒尺寸由278μm减小到147μm。加入1.2％(Mg-TiB2-8％Ce)时,晶粒尺寸减小为52μm。晶粒细化机制可归结为:TiB2能够作为α-Mg的异质核心起到细化晶粒作用。稀土Ce除改善中间合金中TiB2的形貌和分布,提高其细化效率外,还能在合金熔体固液界面前沿形成成分过冷,提高TiB2形核率,并阻碍α-Mg晶粒长大。
Mn和Fe对TiB2在AZ91D合金中的细化效率有促进作用。在AZ91D镁合金中加入0.8％Mn和0.6％TiB2后,平均晶粒尺寸减小为55μm。当加入0.5％Fe和0.6％TiB2后,晶粒减小为28μm。在初生α-Mg晶粒内发现有Ti-B-Al-Mn相,该相可能作为α-Mg异质核心,而Fe可能与Al形成富Fe、Mn相作为α-Mg异质核心。
由于晶粒的细化,镁合金的力学性能都有一定程度提高。对AZ31B而言,分别加入1.8％(Mg-TiB2)和1.8％(Mg-TiB2-10％Ce)时,硬度分别达到80.4HB和84HB,抗拉强度分别达到178.1MPa和182.2MPa。对AZ91D而言,分别加入1.2％(Mg-TiB2)和1.2％(Mg-TiB2-8％Ce)时,硬度分别达到90.7HB和96.1HB,抗拉强度分别达到184.8MPa.和186.8MPa。