快速凝固-粉末冶金高強(qiáng)度鎂合金的制備、組織與性能研究

快速凝固-粉末冶金高強(qiáng)度鎂合金的制備、組織與性能研究快速凝固/粉末冶金高強(qiáng)度鎂合金的制備、組織與性能研究

摘要：鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度、高吸能性等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域。但是，其低強(qiáng)度、差延展性和容易腐蝕等缺點(diǎn)限制了其進(jìn)一步發(fā)展。因此，研究如何制備高強(qiáng)度、高塑性和耐腐蝕的鎂合金成為了目前研究的熱點(diǎn)。本文通過快速凝固/粉末冶金技術(shù)制備了含Al、Zn、Mn、Nd等元素的高強(qiáng)度鎂合金。在此基礎(chǔ)上，研究了合金的組織與性能。結(jié)果表明，制備的鎂合金中Al和Mn的添加能有效提高合金的強(qiáng)度和塑性。Nd的添加不僅能夠提高合金的強(qiáng)度，還能夠改善其耐腐蝕性能。快速凝固制備的鎂合金中，納米級晶粒間存在大量細(xì)小的沉淀物，這種沉淀物是增強(qiáng)機(jī)制的重要因素之一。在其它條件相同的情況下，粉末冶金制備的鎂合金中晶粒尺寸更大，雖沒有沉淀物，但是合金的拉伸強(qiáng)度和塑性優(yōu)于快速凝固制備的鎂合金。本文有望為研究快速凝固/粉末冶金制備的鎂合金提供新的途徑和方法，為鎂合金在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：快速凝固；粉末冶金；高強(qiáng)度鎂合金；沉淀物；晶粒尺寸；耐腐蝕性能一、引言

鎂合金是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，因其具有低密度、高比強(qiáng)度、高吸能性和良好的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于汽車、航空航天、軍事、電子等領(lǐng)域。然而，鎂合金的低強(qiáng)度、差延展性和容易腐蝕等缺點(diǎn)限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，制備高強(qiáng)度、高塑性和耐腐蝕的鎂合金成為了研究的熱點(diǎn)。

快速凝固技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種制備高性能材料的新方法，可制備出具有高強(qiáng)度、高塑性和細(xì)晶粒等優(yōu)良性能的合金材料。粉末冶金技術(shù)是一種通過合理的粉末制備、壓制和燒結(jié)等工藝制備合金材料的方法，也能制備出具有優(yōu)良性能的合金材料。因此，快速凝固和粉末冶金技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備鎂合金等材料。

本文通過快速凝固/粉末冶金技術(shù)制備了含Al、Zn、Mn、Nd等元素的高強(qiáng)度鎂合金，研究了不同條件下制備的合金的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并比較了其耐腐蝕性能。為了探究合金中沉淀物對其力學(xué)性能的影響，本文還對合金中的沉淀物進(jìn)行了表征和分析。

二、實(shí)驗方法

1.材料制備

本研究采用了快速凝固和粉末冶金兩種方法制備鎂合金?？焖倌滩捎昧艘慌_高頻感應(yīng)熔煉-快速凝固設(shè)備，將精制的純鎂、Al、Zn、Mn、Nd等原料按一定的比例混合后加入熔爐中進(jìn)行高溫熔煉，然后通過快速冷卻得到均勻細(xì)小的合金。粉末冶金則是先將鎂、Al、Zn、Mn、Nd等原料混合后在球磨機(jī)中球磨，然后將磨好的粉末在定型模具中進(jìn)行壓制、燒結(jié)等工藝，最終得到致密的合金。

2.材料表征

采用了掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射儀（XRD）等儀器對樣品進(jìn)行了表征。通過TEM觀察了沉淀物的形貌和尺寸分布，并使用SEM對合金斷口和表面進(jìn)行了表征。使用XRD對合金中的相組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

3.材料測試

采用常規(guī)拉伸試驗機(jī)對樣品進(jìn)行了拉伸試驗，測定其拉伸強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能。并使用掃描電子顯微鏡觀察了合金斷口的形貌。

4.耐腐蝕性測試

使用電化學(xué)測試儀對合金樣品進(jìn)行了腐蝕測試。將樣品置于3.5%NaCl水溶液中，測定其在不同時間內(nèi)的電化學(xué)性能，并計算出其腐蝕速率。

三、結(jié)果與分析

1.合金的組織結(jié)構(gòu)

快速凝固制備的鎂合金中，SEM觀察到了大量的球狀和條狀的沉淀物分布在晶界和晶粒內(nèi)部，在TEM觀察下可見到這些沉淀物顆粒分布在納米級晶粒間。粉末冶金制備的鎂合金中，晶粒尺寸較大，但SEM觀察到的表面光滑度更高，沒有明顯的沉淀物。

2.合金的力學(xué)性能

通過拉伸試驗可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法制備的鎂合金在拉伸強(qiáng)度和延伸率方面有所不同。快速凝固制備的鎂合金的拉伸強(qiáng)度顯著高于粉末冶金制備的鎂合金，但延伸率稍低。其中加入Mn后，可顯著提高合金的強(qiáng)度和延伸率。而Nd的添加能夠進(jìn)一步提高合金的拉伸強(qiáng)度和塑性，同時提高其抗腐蝕性能?？焖倌讨苽涞逆V合金中，沉淀物的存在是增強(qiáng)機(jī)制的重要因素之一。

3.合金的耐腐蝕性能

通過電化學(xué)測試，可以得出快速凝固制備的鎂合金具有較高的耐腐蝕性能。Nd的加入能夠進(jìn)一步改善合金的耐腐蝕性能，而Mn的加入則會降低合金的耐腐蝕性能。

四、結(jié)論

本研究通過快速凝固和粉末冶金兩種方法制備了含Al、Zn、Mn、Nd等元素的高強(qiáng)度鎂合金。快速凝固制備的鎂合金中存在大量的沉淀物，沉淀物對其增強(qiáng)機(jī)制具有重要作用。粉末冶金制備的鎂合金中序晶粒相對較大，但合金的拉伸強(qiáng)度和塑性優(yōu)于快速凝固制備的鎂合金。加入Mn和Nd元素可以顯著提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性，并改善其耐腐蝕性能。本研究有望為快速凝固/粉末冶金制備高性能鎂合金提供新的途徑和方法，為鎂合金在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)此外，本研究還對鎂合金的微觀組織和晶粒尺寸進(jìn)行了分析?？焖倌讨苽涞逆V合金存在大小不一、形態(tài)各異的沉淀物，沉淀物的存在對于合金的增強(qiáng)作用具有重要影響。而粉末冶金制備的鎂合金中晶粒大小相對較大，但合金的力學(xué)性能相對較好，表明其晶粒尺寸與力學(xué)性能之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，鎂合金具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在航空、汽車、電子等領(lǐng)域中具有重要的地位。本研究結(jié)果為鎂合金的工業(yè)應(yīng)用提供了有益的參考和指導(dǎo)，為進(jìn)一步優(yōu)化鎂合金的制備工藝和改進(jìn)其性能奠定了重要基礎(chǔ)。未來需要進(jìn)一步深入研究鎂合金材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，并探索新的合金設(shè)計策略和制備工藝，以滿足未來高性能合金材料的需求此外，對于鎂合金的耐腐蝕性能與電化學(xué)性能研究也是重要的。長期以來，鎂合金因其良好的力學(xué)性能而備受關(guān)注，但其在一些特殊環(huán)境下卻存在較大的腐蝕問題。因此，針對鎂合金的耐腐蝕性能進(jìn)行探究，對其工業(yè)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。同時，在電動汽車和可再生能源等領(lǐng)域中，電化學(xué)性能也是鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵之一。因此，未來的研究需要考慮從耐腐蝕性能和電化學(xué)性能兩個角度綜合探究鎂合金的性能特點(diǎn)。

此外，針對鎂合金的可持續(xù)性問題也需要進(jìn)一步關(guān)注。由于鎂合金的開采和制備對環(huán)境存在一定的影響，因此在研究新的合金設(shè)計策略和制備工藝的同時，需要考慮鎂合金的可持續(xù)性問題，提出更加環(huán)保和可持續(xù)的制備方案。

總而言之，鎂合金作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，其性能的研究和優(yōu)化一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。未來需要進(jìn)一步深入研究鎂合金的性能特點(diǎn)和制備工藝，探索其在更多應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，為實(shí)現(xiàn)材料的高性能、低成本和可持續(xù)發(fā)展奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)綜上所述，鎂合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能