强剪切机械搅拌作用下高合金化镁-稀土合金凝固组织控制机理研究

高合金化镁-稀土合金由于稀土元素对合金基体和晶界的强化作用而具有优异的高温性能。但合金凝固过程中稀土元素易产生宏观偏析和微观偏析，形成粗大网状晶间化合物，导致合金塑性严重恶化，后续热处理和加工成型困难。本项目通过对高合金化镁-稀土合金熔体进行强剪切机械搅拌:1有效消除稀土元素宏观偏析，2提高锆形核质点分布均匀性及其对合金凝固组织的细化能力，3提高合金熔体中成分和温度均匀性，增加凝固组织均匀性，4实现合金熔体的低过热度铸造，进而提高合金冷却速率，抑制合金凝固过程中的溶质再分配，增加稀土元素在镁合金基体中的固溶度，减少晶间化合物析出量，最终实现对合金凝固组织有效控制的目标。并在此基础上系统研究强剪切机械搅拌对高合金化镁-稀土合金凝固行为和凝固组织的影响规律，揭示强剪切机械搅拌作用下高合金化镁-稀土合金凝固组织控制机理，为解决高合金化镁-稀土合金凝固过程中存在的稀土元素偏析问题提供理论依据。

镁-稀土系合金具有优异的室温力学性能、高温抗蠕变性能、耐腐蚀性能和阻燃性能，有广泛的应用前景，近年来成为国际上研究的热点。本研究主要针对高合金化稀土镁合金凝固过程中易出现宏观偏析，晶粒细化效果差等问题，以Mg-10Sm合金为对象，采用英国Brunel大学自主研发的双螺旋强剪切机械搅拌设备对熔体搅拌强度，搅拌时间，搅拌温度等参数的控制实现对熔体的处理。.系统研究了近液相线条件下强剪切机械搅拌对Mg-10Sm合金凝固组织的影响规律。研究发现，在近液相线的机械搅拌能够显著细化合金的晶粒组织，合金的晶粒形貌由粗大树枝晶转变为细小蔷薇状组织，机械搅拌后晶粒的大小和分布更为均匀。搅拌强度，搅拌时间，搅拌前的浇注温度等参数对Mg-10Sm合金的凝固组织影响不大。对比研究发现，主要是由于近液相线低温浇注起到主要的晶粒细化效果。通过对Mg-10Sm合金熔体进行近液相线强剪切机械搅拌可以细化合金晶粒组织，但是对Mg-10Sm合金共晶组织及固溶度没有明显影响。.对比研究了化学细化与物理细化对Mg-10Sm合金凝固组织的影响规律。添加晶粒细化剂Zr可以显著细化Mg-10Sm合金晶粒组织，细化效果明显优于机械搅拌方法。Mg-10Sm合金重力铸造后的平均晶粒度为4mm，经过机械搅拌后晶粒度明显下降，约为200um左右，添加0.3wt.%Zr元素，能有效的细化Mg-10Sm合金晶粒组织，晶粒度约为111um。在化学细化的基础上再加以机械搅拌作用，晶粒将进一步细化，约为80um。化学细化对Mg-10Sm合金的共晶组织没有明显影响。.研究了浇注温度对Mg-10Sm合金凝固组织的影响规律。研究发现，随着浇注温度的降低，Mg-10Sm合金晶粒尺寸显著细化，晶粒逐渐由粗大枝晶转变为细小等轴晶。随着浇注温度的降低，Mg-10Sm合金凝固组织二次枝晶臂间距逐渐减小。浇注温度对Mg-10Sm合金晶间共晶组织没有明显影响。.研究了冷却速度对Mg-10Sm合金凝固组织的影响规律。结果表明，水冷条件下高的冷却速度能细化组织，冷却速度提高，Mg-10Sm和Mg-10Sm-0.3Zr合金凝固组织二次枝晶臂间距均减小。冷却速度提高，晶间共晶组织更为细小；冷却速度对共晶相分布与体积分数没有明显影响。