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镁、锌基合金及其复合材料触变成形与防护技术研究

时间:2011-06-02
      

镁、锌合金是现今应用最广、最轻的金属结构材料,在汽车、飞机、电子产品、体育用品等领域具有巨大的应用潜力。但是,液态镁合金和锌合金凝固速度快,结晶温度范围宽,因而成形件的缩松、缩孔、气孔及浇不足等缺陷严重,而且镁合金浇注时极易氧化,这是导致合金性能较低的一个重要原因。

从材料成形的角度,减少或消除缩松最有效的方法之一就是触变成形。由于在充型前就有一定体积分数的固相存在,随后的凝固收缩量势必减少;另外,由于初生相为非枝晶(球状或玫瑰状),凝固中的补缩通道畅通,补缩效果好,因此,采用半固态成形可以有效地减少,甚至消除缩松。为了提高高温力学性能和改善尺寸的稳定性,最常用的方法就是复合或原位生成高温稳定性好的组分颗粒,制成颗粒增强的复合材料。因此,触变成形及制备复合材料可以不同程度地克服镁、锌基合金所存在的缺点。

在众多现有的轻合金表面防护技术中,微弧氧化被认为是最具有应用发展潜力的表面改性技术之一。

1.主要内容

针对甘肃省丰富的ZnAlNiCuRE资源以及Mg合金在以汽车为主的运输工具中巨大的应用潜力,结合先进的半固态成形技术和表面铸渗技术,研究、开发高性能的MgZnAlCu合金产品为目标,主要在研发新型有色合金及其半固态成形技术、表面改性的基础理论与应用方面进行了研究:

1)开发出稀土含量低、力学性能优异的ZW21新型镁合金。

2)以半固态成形的准则及高力学性能为考核目标,发明了一种适合半固态成形的高性能LZLG系列镁合金。

3)为了进一步提高铸渗层的高温使用性能,通过复合ZrO2SiC等陶瓷颗粒,研究了梯度、复合、复合梯度等Ni基涂层的铸渗工艺,研发出不同使用场合的耐高温、耐磨Cu合金、钢的表面铸渗技术。

4)通过研究含镁合金(AZ91DAM60B)的晶粒细化工艺,开发出适合商业化生产的SiCMgCO3细化处理技术,为Al4C3作为异质形核基底的细化机理提供了有力的证据。

5)以异质形核的机理和表面活性元素的行为为基础,提出了消除Zn-Al-Si系合金中羽毛晶、细化晶粒的Zr-RE复合细化技术,发现了二维羽毛晶并澄清了该晶的形成条件、空间形貌与结构及其生长方向。

6)研究了预变形ZW21AZ91D合金及经晶粒细化技术处理的AZ91DZA27及复合材料Sip/ZA27等材料在部分重熔过程中的组织演变,提出了初期的快速粗化、组织分离、球状化和最后的粗化――这一四阶段的组织演变过程,并从相变角度阐述了各阶段的成因,建立了初始铸态组织和半固态组织间的定量关系;首次针对锌基材料提出了固相颗粒内熔池形成的第三种机理,为获得初生相颗粒细小、圆整的半固态组织锭料提供了充足的理论依据。

7)利用冷却倾斜板铸造技术和同质晶核理论,提出了自孕育新技术,研究了AZ91DZA27AM60Cu合金、Al-Pb合金的晶粒细化及半固态组织,发明了一种短流程的流变成形技术及为制备均质Al-Pb偏晶合金的提出了一种新思路。

8)研究了触变成形AZ91D镁合金的膜层磨损行为,探讨了磨损机制以及与金属型铸造合金间的差别。

9)通过搅拌摩擦加工技术,在镁合金表面制备了细晶、富Al耐蚀、复合SiC耐磨等表面膜层,通过触变成形材料独特的组织特性,研究了搅拌摩擦加工过程中的组织演变过程。

10)研究了ZA27合金的触变成形工艺与成形性、充型过程、组织、力学性能、断裂方式间的关系,根据成形中所发生的一些现象及成形件的微观组织推演出充型过程,澄清了充型后的二次凝固行为,基于经典的复合材料理论,提出了预测触变成形材料力学性能的复合原理。

11)研究了触变成形ZA27合金及的固溶-时效处理对组织和拉伸性能的影响,发现不同的时效处理时间将导致不同的断裂方式及拉伸性能。

12)研发了单次处理面积达6m2的镁合金微弧氧化处理设备及相应的工艺,并对AZ91DAM60B、钢材料的电工艺参数-膜层结构-腐蚀性能的关系、热处理-组织-膜层结构间的关系以及着色等进行了深入研究提出了镁合金微弧氧化膜层的调控原则、微观结构的表征手段及着色新技术。

2.主要的科技创新贡献及国内外影响

1)主要创新点

l        开发了非枝晶半固态镁合金坯料的制备工艺和半固态触变挤压、触变压铸成形技术,可使镁合金加工模具寿命提高30%以上,制备的镁合金零件比传统制备方法的铸造缺陷降低20%,达到国内同类产品领先水平。

l        发现了部分重熔过程中组织演变的四个阶段:加热初期的快速粗化阶段、组织分离阶段、球状化阶段和最周的粗化阶段;这四个阶段可用该过程中所发生的相变很好地得到解释。

l        加入RE元素或增加材料中Mg的含量能有效遏制半固态保温过程中固相颗粒的粗化行为;与ZA27合金相变,SiCp/ZA27复合材料因SiC粒子的分隔、阻碍作用,其固相颗粒的粗化速率较小。

l        提出了固相颗粒内熔池形成的第三种机制。

l        研制成我国最大处理容量(≥6平方米)、满足微弧氧化生产工艺要求的微弧氧化电源设备,该设备及技术主要用于工业化处理镁合金、铝合金、钛合金等有色金属表面。该成果装备及工艺技术在镁合金微弧氧化方面已达到国际先进水平。

2)学术界公认度

近三年在Mater. Sci. Eng. A》、《Mater. Sci. Technol.》、《J. Alloys Compd》、《Mater Des》、《Wear、材料研究学报,中国有色金属学报(中、英文版)等国内外重要期刊发表学术论文100余篇,其中SCIEi收录论文40余篇次,申请专利12件,授权4件,半固态加工镁合金表面改性的研究2007年度甘肃省科技发明二等奖,锌基合金及其复合材料触变成形技术的基础理论研究2009年度甘肃省自然科学二等奖。

课题组取得的科研成果引起了国内外同行的广泛关注。曾有国内外学者索要论文,并探讨问题,也有外国学术要求到本课题组进行研修,相关课题负责人被邀请为国际材料期刊Script Materialia》、《Materials Science and Engineering A》、《Materials LetterComposites Science and Technology》、《Materials and Design》、《Surface and Coatings Technology 以及国内重要期刊《金属学报》、《材料研究学报》、Acta Metall. Sinica》、《Trans. Nonferrous Met. Sco. China等审稿人;In Techan Open Access publisher)邀请撰写镁合金的著作,ElsevierSciTopics邀请写有关镁合金研究成果的宣传资料,Bentham Science Publishers邀请为某一书的审稿人,并邀请参加该出版社后续书籍的编辑或作者。

成果清单

序号

成果类型

成果名称

完成人

刊物、出版社或

授权单位名称

年、卷、期、页

或专利号

1

论文

Microstrucural evolution of fine-grained ZA27 alloy during partial remelting

Chen,TJ; Fu,MF;Hao,Y

China Foundry

2010,Vol.7, No.4, pp331-336

2

论文

Grain refinement of AZ91D magnesium alloy by SiC

Chen,TJ;Jiang XD;Ma,Y

Journal of Alloys and Compouds

2010, Vol.496, pp218-225

3

论文

Microstructural evolution and phase transformations during partial remelting of AZ91D magnesium alloy refined by SiC

Chen,TJ;Jiang XD;Ma,Y

Journal of Alloys and Compouds

2010, Vol.496, pp147-154

4

论文

Microstructural evolution of equal channel angular pressed AZ91D magnesium alloy during partial remelting

Chen,TJ;Jiang XD;Ma,Y

Materials Science and Technology

2010, Vol.26, No.10, pp1197-1206

5

论文

Grain refinement of AM60B magnesium alloy by SiC particles

Chen,TJ; Ma,Y Wang, RJ

Journal of Materials Science

2010,Vol.45, No.22, pp6732-6738

6

论文

In situ fabrication of Al3Ti-Al functionally graded composites by centrifugal casting

Chen,TJ; Li,J;Li,YD

Int. J. Materials and Product Technol.

2010, Vol.39, Nos.1/2, pp3-19

7

论文

Some key issues and acesses to the application of Magnesium alloys

Chen,TJ;Hao,Y;Ma,Y

International Journal of Modern Physics B

2010,Vol.24, Nos.15&16, pp2237-2242

8

论文

Friction stir processing of thixoformed AZ91D magnesium alloy and fabrication of Al-rich surface

Chen,TJ; Zhu,ZM;Li,YD

Trans. Nonferrous Met. Soc. China

2010, Vol.20, No.1, pp34-42

9

论文

Microstructure of partially remelted billet of AM60 alloy prepared with self-inoculation method

Xing,BO;Li,YD;Ma,Y

Trans. Nonferrous Met. Soc. China

2010,Vol.20, No.9, pp1622-1629

10

论文

Commercial AM60 alloy for semisolid processing:Effects of continuous rheoconversion process on microstructure

Xing,BO;Li,YD;Ma,Y

Trans. Nonferrous Met. Soc. China

2010, Vol.20, Spec.3, pps723-S728

11

论文

Commercial AM60 alloy for semisolid processing: Alloy optimization and thermodynamic analysis

Li,YD;Xing,BO; Ma,Y

Trans. Nonferrous Met. Soc. China

2010, Vol.20, No.9, pp1572-1578

12

论文

添加SiC对不同尺寸AZ91D镁合金坯料半固态组织的影响

李元东, 文靖,陈体军

中国有色金属学报

2010,Vol.20, No.3, pp407-414

13

论文

浇注温度对自孕育铸造法制备AM60镁合金半固态浆料的影响(Ⅰ)

李元东, 杨建,马颖

中国有色金属学报

2010, Vol.20, No.6, pp1046-1052

14

论文

自孕育剂参数对自孕育铸造法制备AM60 镁合金半固态浆料的影响()

李元东, 杨建,马颖

中国有色金属学报

2010, Vol.20, No.11, pp2178-2186

15

论文

AZ91D镁合金热处理与微弧氧化的交互作用

马颖,张洪锋郝远

材料研究学报

2010, Vol.23, No.6, pp656-662

16

论文

电参数对AZ91D镁合金微弧氧化膜层结构及耐蚀性的影响

马颖,詹华,马跃洲

中国有色金属学报

2010, Vol.20, No.8, pp1467-1473

17

论文

镁合金微弧氧化膜耐蚀性表征方法的对比研究

马颖, 冯君艳,马跃洲

中国腐蚀与防护学报

2010, Vol.30, No.6, pp1442-1448

18

论文

Effects of processing parameters on wear behaviors of thixoformed AZ91D

Chen,TJ;Ma,Y;Li,BI

Materials and Design

2009, Vol.30, No.2,  pp235-244

19

论文

Casting fabrication of in situ Al3Ti-Al composites and their wear behavior

Chen,TJ;Li,J;Hao,Y

China Foundry

2009, Vol.6, No.4, pp319327

20

论文

固溶处理对AZ91D镁合金微弧氧化的影响

马颖, 王永欣,张洪峰

中国有色金属学报

2009, Vol.19, No.10, pp1741-1747

21

论文

加压时间间隔对AZ91D镁合金微弧氧化膜的影响

吕维玲,马颖,陈体军

焊接学报

2010, Vol.30, No.8, pp81-84

22

论文

Friction and wear properties of casting in-situ silicon particle reinforced ZA27 composites

Chen,TJ;Yuan,CR;Fu,MF

China Foundry

2009,Vol.6, No.1, pp1-8

23

论文

Microstructural evolution during partial remelting of equal channel angularpressed ZW21 magnesium alloy

Chen,TJ;Lu,GX;Ma,Y

Journal of Alloys and Compouds

2009,Vol.486, pp124-135

24

论文

Effect of solid solution treatment on semisolid microstructure of dendritic zinc alloy ZA27

Chen,TJ;Hao,Y ;Li,YD

Materials Science and Technology

2008,Vol.24, No.11, pp1313-1320

25

论文

Microstructural evolution of equal channel angular pressed AZ91D magnesium alloy during semi-solid isothermal heat treatment

Chen,TJ;Lu,GX;Hao,Y

China Foundry

2008,Vol.5, No.4, pp234-239

26

论文

In situ silicon particle reinforced ZA27 composites Part 1-Microstructures and tensile properties

Chen,TJ;Yuan,CR;Fu,MF

Materials Science and Technology

2008,Vol.24, No.11, pp1321-1332

27

论文

原位自生Sip/ZA27复合材料的磨损性能

陈体军, 袁承人,郝远

中国有色金属学报

2008,Vol.18, No.7, pp1231-1236

28

论文

触变成形AZ91D镁合金的组织与二次凝固行为

李元东,陈体军,马颖

中国有色金属学报

2008, Vol.18, No.1, pp18-23

29

专利

Zn-27Al-2Cu-0.04S合金晶粒细化的方法

陈体军,傅明峰,郝远

2010年授权

ZL2008101502264

30

获奖

锌基合金及其复合材料触变成形技术的基础理论研究

陈体军,郝远,李元东

甘肃省自然科学二等奖

2009

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