亚快速凝固Al-Mg-Si系合金变形组织晶粒异常长大行为及其抑制方法

作     者：施枭 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王慧远

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Al-Mg-Si合金 晶粒异常长大 亚快速凝固 微观组织 晶粒簇 

摘      要：Al-Mg-Si系(6xxx系)合金是典型的时效强化铝合金,具有低密度,良好的耐腐蚀性和可成型性等优点,在汽车轻量化领域得到广泛应用。亚快速凝固工艺的冷却速率高(～10～10K/s),能够细化组织和提高元素高固溶度,进而缩短均匀化时间,提高效率、降低了能耗。因此,亚快速凝固工艺成为制造汽车车身板用Al-Mg-Si合金的发展方向之一。然而,我们发现亚快速凝固Al-Mg-Si系合金在轧制后的固溶热处理过程中,少数晶粒会过度生长,其晶粒尺寸比基体晶粒高1个数量级,即发生晶粒异常长大(AGG)。晶粒异常长大会降低铝合金板材的力学性能,限制了亚快速凝固工艺的应用。本文以Al-Mg-Si系合金为研究对象,研究了亚快速凝固Al-Mg-Si系合金的晶粒异常长大行为,揭示出亚快速凝固Al-Mg-Si系合金晶粒异常长大的机制是存在{100}晶粒簇和快速溶解的MgSi颗粒,阐明了Mg含量对亚快速凝固Al-Mg-Si系合金晶粒异常长大行为的影响规律,提出了微合金化提高晶粒热稳定性的方法。本文得出的主要结论如下:(1)研究了冷却速率对Al-Mg-Si系合金晶粒异常长大行为的影响规律。发现在轧制后的固溶热处理过程中(540℃),亚快速凝固合金晶粒异常长大孕育期(～5min)与常规凝固合金晶粒相比(～30min)显著缩短,其原因与亚快速凝固合金中存在{100}晶粒簇和细小可溶的MgSi颗粒密切相关,一方面,{100}晶粒簇的低迁移率CSL晶界比例比其他取向晶粒低,因此晶粒容易长大。另一方面,高冷却速率产生的细小MgSi颗粒在固溶过程中快速溶解使得晶粒长大驱动力-钉扎力的平衡易于被破坏,导致晶粒粗化速度快。(2)研究了Mg含量(0.20～0.80 wt.%)对亚快速凝固Al-Mg-Si系合金的晶粒异常长大行为的影响规律。中Mg含量(0.45 wt.%)合金发生明显的晶粒异常长大现象;然而,低Mg含量(0.20 wt.%)和高Mg含量(0.80 wt.%)合金中,晶粒异常长大不明显甚至不发生。揭示出Mg含量的不同导致合金微观组织具有显著差异:0.20Mg合金中纳米粒子数量很少,各取向晶粒都可以长大;0.45Mg合金纳米粒子数量较多,{100}晶粒簇的生长优势使其可以摆脱钉扎优先生长,进而发生晶粒异常长大;0.80Mg合金中{100}晶粒呈现离散分布,生长优势减弱,同时纳米粒子数量最多,提高晶粒热稳定性。(3)探索了亚快速凝固Al-Mg-Si系合金的晶粒异常长大的抑制方法及其作用机制。通过微合金化,即加入少量Mn或Sc(0.05～0.20wt.%)后,形成的高熔点α-Al(Mn Fe)Si颗粒或AlSc颗粒提高了Zener阻力,钉扎晶界,提高了组织热稳定性和合金力学性能。Mn增强热稳定性的效果优于Sc,Mn对晶粒长大的抑制含量为≥0.05wt.%,Sc的有效抑制含量范围为0.1-0.2wt.%。