纳米粒子孕育下非平衡凝固镁合金异质形核与热稳定性

Rapid solidification plays an important role for refining microstructure and improving the resultant strength, ductility, as well as the corrosion-resistance property. However, the maintenance of original refined grain is the decisive technique for actual application. On the basis of magnesium alloy with homogeneous dispersion of SiC nano-particulates by friction stir processing, the project proposes a new route with the combination of rapid solidification and alloy inoculation method. By increasing heterogeneous sites, suppression or weaken the transportation phenomenon, the variations of critical nucleation radius, local non-equilibrium effect of solute diffusion field and the transformation process of solidification are investigated under the consideration of non-equilibrium effect. Accordingly, the furthest nucleation potential of heterogeneous sites is expected to be activated to fabricate the ideal refined-grain microstructure. In addition, isothermal annealing is applied to analysis the grain growth behavior of non-equilibrium solidified magnesium alloy inoculated by nano-particulates. After constructing the kinetics equation of grain growth and critical grain size, the grain growth exponent, activation energy and volume fraction exponent can be deduced as functions of the size and content of nano-particulates, so as to improve the thermal stability of refined microstructure. From the above systematical investigation of the two critical scientific issues, i.e., the effects of nano-particulates on the promotion of heterogeneous nucleation for non-equilibrium solidification and suppression of grain growth for isothermal annealing, theoretical guidance is provided to the fabrication of high-performance magnesium alloy.

快速凝固对于细化合金组织，提高材料强度、塑性及耐腐蚀性具有显著的作用,然而细晶保持技术是决定其付诸应用的关键。针对工程中常用的镁合金，本项目在搅拌摩擦加工实现纳米SiC均匀分散基础上，采用快速凝固与合金孕育相结合的手段，通过增加熔体中的异质核心、抑制或减弱凝固过程中的传输现象，深入研究非平衡效应作用下的临界形核半径、溶质扩散场局域非平衡与凝固动力学变化行为，最大限度地激发异质核心形核潜力，实现细晶组织的有效制备。同时采用等温退火技术，研究纳米颗粒参与下非平衡凝固镁合金高温晶粒长大行为，构建晶粒长大动力学方程，分析临界晶粒尺寸变化规律,推导不同尺寸及体积分数纳米颗粒影响下的晶粒生长指数、界面迁移激活能及体积分数指数，实现细晶组织热稳定性提高目的。通过研究纳米粒子孕育下镁合金非平衡凝固过程中异质形核与高温热处理过程中晶粒长大两个关键科学问题,为高性能镁合金的研制提供理论依据。

针对镁合金细晶组织制备困难及高温热稳定性差等问题，项目采用纳米SiC孕育与快速凝固相结合，制备出不同冷速、不同SiC粒径及颗粒含量协同作用下的非平衡凝固镁合金，并完成快冷合金的组织形貌、相结构、溶质偏析、晶粒尺寸及纳米粒子分布等特征量分析。基于溶质扩散场局域非平衡及枝晶生长动力学计算，阐明了不同粒径影响下的快速凝固镁合金异质形核规律。通过系统研究不同温度和保温时间条件下快冷合金中时效析出、动态固溶及晶粒长大等过程，对比总结出SiC添加前后快冷合金晶粒尺寸的变化行为，揭示了纳米粒子对亚稳细晶组织高温晶粒长大的影响规律。. 研究结果表明：冷速的提高与SiC的添加可共同促进镁合金凝固组织的细化，其中纳米粒子孕育的快速凝固镁合金中最小晶粒尺寸仅为2µm，相比传统铸态合金下降了两个数量级。低温时效条件下，纳米SiC的存在会提高合金中的位错密度和晶格畸变，有利于析出相形核，促进过饱和固溶体中沉淀相形成。随时效温度增加和保温时间延长，析出模式由晶界非连续沉淀向晶内连续沉淀发生转变，同时形貌从颗粒状向层片状发生转变。随固溶温度由320℃提高到400℃，快冷合金中先后发生不完全固溶和完全固溶，最终形成多边形等轴晶组织。纳米SiC孕育的快冷镁合金经400℃固溶处理后，晶粒尺寸分布均匀，未发生明显晶粒长大现象，其中保温8h后的最小晶粒尺寸仅为5μm，表明SiC能够提高钉扎阻力及晶界迁移激活能，有效抑制晶粒长大，增强亚稳细晶组织的高温稳定性。当添加相同含量的SiC时，纳米颗粒所对应的细晶组织热稳定性优于微米颗粒。. 项目的完成构建了冷却速率、形核过冷度、临界形核半径及颗粒尺寸为一体的研究思路，完善了非平衡凝固条件下的异质形核理论，提出了抑制亚稳细晶组织长大的有效途径，实现了非平衡凝固与固态相变的相互联系，为高性能镁合金组织调控及非平衡凝固合金的工程应用提供了重要的参考价值。