脉冲电流制备镁合金半固态浆料及流变成形基础研究

According to the idea of producing semisolid slurry by promoting nucleation and restraining grain growth, this study proposes to prepare high quality semisolid magnesium alloy slurry by treating the melt with electric current pulse during solidification, and thus obtain better magnesium alloy casting. Based on above theory, in this project, the semisolid microstructure evolution during electric current pulse treatment will be investigated. Ascertain the formation mechanism of non-dendritic structure in different magnesium alloys (magnesium rare earth alloy and magnesium alloy without rare earth). Reveal the influence mechanism of alloy elements and precipitates on the formation, spheroidization and coarsening of primary solid phase, especially on solid-liquid interfacial energy and growth rate of solid particles. Build a mathematical model for the relationship among electric current pulse parameters, pouring temperature and semisolid structure parameters. Study the tensile and fatigue properties of semisolid rheocasting magnesium alloys prepared by die casting and squeeze casting, respectively. Analyze the fatigue crack initiation and propagation mechanism of semisolid rheocasting magnesium alloys in different conditions, and optimize the electric current pulse parameters of tested magnesium alloys. The results will be expected to provide theoretical and experimental reference for developing more semisolid slurry preparation technologies and more magnesium alloys.

根据促进形核、控制生长的半固态制浆思路，本项目提出在凝固过程中（近液相线附近）对镁合金熔体施加脉冲电流，期望制备优质的半固态浆料，进而获得较好的镁合金成形铸件。基于此，本项目针对镁合金脉冲电流处理过程中半固态组织演变展开应用基础研究，探明不同类别镁合金（稀土镁合金和不含稀土镁合金）非枝晶组织的形成机制；揭示合金元素种类及析出相对固相颗粒形成、球化和粗化的作用机理，特别是对固液界面能和固相颗粒粗化速率的影响规律；建立脉冲电流参数、浇注温度和半固态组织结构参数之间的数学模型。研究半固态流变成形（压铸和挤压铸造）后镁合金的拉伸和疲劳性能，对比分析不同流变成形工艺以及不同类别镁合金的疲劳裂纹萌生和扩展机制，优化半固态成形镁合金脉冲电流工艺。研究结果可望为开发更适于半固态成形的浆料制备工艺和镁合金种类提供理论及实验依据。

根据促进形核、控制生长的半固态制浆思路，提出了在凝固过程中（近液相线附近）对镁合金熔体施加脉冲电流，制备出优质的半固态浆料，对半固态组织演变展开了应用基础研究。开发了一套脉冲电流制备半固态合金浆料装置和一套大功率电磁场搅拌设备，系统研究了脉冲电流工艺参数（如施加时机、电流、频率和占空比等）和浇注温度对稀土镁合金（Mg-Gd-Y和Mg-Nd-Zn等）和不含稀土镁合金（AZ91）铸态组织和金半固态浆料组织的影响；分析了合金原始铸态组织、合金元素种类及析出相对脉冲电流处理过程中半固态组织的影响，构建了合金铸态组织与脉冲电流处理后半固态组织之间的关系，揭示了合金元素种类及析出相对固相颗粒形成、球化和粗化的作用机理，特别是对固液界面能和固相颗粒粗化速率的影响规律；建立了脉冲电流参数、浇注温度和半固态组织结构参数之间的数学模型；探明了稀土镁合金和不含稀土镁合金非枝晶组织的形成机制，并探索了稀土镁合金中脉冲电流与锆细化剂对半固态浆料形成的复合作用工艺及其机制；初步建立了稀土镁合金和不含稀土镁合金半固态浆料固相率、固相颗粒平均尺寸、固相颗粒圆整度等组织结构特征与脉冲电流工艺参数之间的内在关联。重点研究了重力铸造、压铸、挤压铸造、流变压铸和流变挤压铸造处理后镁合金的拉伸和疲劳性能，对比分析了不同成形工艺以及不同类别镁合金的裂纹萌生和扩展机制，优化出了半固态成形镁合金制备工艺，开发出适用于镁合金的高效的半固态浆料制备新方法，获得了提高镁合金半固态成形后力学性能的有效技术途径。圆满完成了计划书中的研究内容，达到了预期目标。研究结果为开发更适于半固态成形的浆料制备工艺和镁合金种类提供理论及实验依据，这对促进镁合金在汽车和航空航天等领域的应用具有重要意义。发表了标注有本项目号的论文45篇，其中，SCI收录37篇；申请发明专利8项，其中，已授权4项；培养硕士生4名和博士生3名。