Mg-3Al-xCa系合金的成分設(shè)計、組織性能與錠坯制備工藝研究一、緒論1.1鎂合金概述1.1.1鎂合金的特點鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金，具有一系列獨特且優(yōu)異的特點，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。從密度角度來看，鎂合金的密度約為1.8g/cm^3，大約是鋁的2/3，鐵的1/4，是實用金屬中最輕的金屬之一。這一特性使得在對重量有嚴格限制的應(yīng)用場景中，如航空航天領(lǐng)域，鎂合金能夠有效減輕結(jié)構(gòu)重量，進而降低能耗，提高運行效率。例如，在飛機制造中，使用鎂合金部件可顯著減輕飛機的整體重量，增加有效載荷，同時降低燃油消耗，提高飛行性能。鎂合金具有較高的比強度和比剛度。比強度是材料的強度與密度之比，比剛度是材料的剛度與密度之比。盡管鎂合金的絕對強度并非最高，但其密度低的特點使其比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng)。這意味著在承受相同載荷的情況下，使用鎂合金可以設(shè)計出更輕薄的結(jié)構(gòu)，同時保證結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。以汽車工業(yè)為例，采用鎂合金制造汽車零部件，如發(fā)動機缸體、變速箱殼體等，可以在不降低零部件強度的前提下，有效減輕零部件的重量，從而提高汽車的燃油經(jīng)濟性，減少尾氣排放，符合當(dāng)前汽車行業(yè)輕量化和環(huán)保的發(fā)展趨勢。鎂合金還具備良好的阻尼性能。在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時，鎂合金吸收的能量比鋁合金件大，在相同載荷下，其減振性是鋁的100倍，鈦合金的300-500倍，因此具有良好的抗震減噪性能。這一特性使其在需要降低振動和噪音的設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，如電子設(shè)備的外殼、汽車的底盤部件等。以筆記本電腦為例，鎂合金外殼能夠有效吸收和衰減內(nèi)部組件運行時產(chǎn)生的振動和噪音，為用戶提供更安靜、穩(wěn)定的使用體驗。此外，鎂合金還擁有一些其他優(yōu)良特性。它的熔點相對較低，壓鑄成型性能好，能夠采用壓鑄工藝制造出形狀復(fù)雜、尺寸精度高的零部件，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率；具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，在電子領(lǐng)域可用于制造散熱部件，確保電子設(shè)備在運行過程中能夠及時散熱，保持穩(wěn)定的工作性能；電磁屏蔽性能也較為出色，能夠有效屏蔽電磁干擾，對于對電磁環(huán)境要求嚴格的3C產(chǎn)品，如手機、電腦等，鎂合金外殼能夠提供優(yōu)越的抗電磁保護作用，保護內(nèi)部電子元件不受外界電磁干擾，同時也防止設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁輻射對其他設(shè)備造成影響。而且，鎂合金還具有可回收性，可做到100%回收再利用，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，在資源日益緊張和環(huán)保要求日益嚴格的今天，這一特性顯得尤為重要。1.1.2鎂合金的分類鎂合金的分類方式主要有兩種，分別是按照合金元素和加工工藝進行分類。按照合金元素進行分類，常見的鎂合金體系包括Mg-Mn、Mg-Al、Mg-RE（稀土元素）、Mg-Th（釷）、Mg-Li（鋰）和Mg-Ag（銀）等合金系列。其中，Mg-Al系合金是應(yīng)用最為廣泛的一類合金，其主要合金元素為鋁，還可能含有鋅、錳等其他元素。以AZ（Mg-Al-Zn）系列為例，如AZ91D，具有較高的屈服強度，廣泛用于制造形狀復(fù)雜的薄壁壓鑄件，像發(fā)動機和傳動系的殼體、電子器材殼體、手動工具等；而鋁含量比AZ系鎂合金低的AM（Mg-Al-Mn）系合金，如AM60B、AM50A等，具有優(yōu)良的斷裂韌性，但屈服強度較低，通常用于承受沖擊載荷的場合，如轎車側(cè)門、儀表盤、座椅框架、輪轂及體育用品等。Mg-Zn系合金具有明顯的時效硬化特性，常用的有Mg-Zn-Zr合金、Mg-Zn-RE合金以及具有良好綜合力學(xué)性能的新型Mg-Zn-Cu合金。Mg-RE系合金中，稀土金屬化學(xué)活性較強，具有去除有害元素（O、H、S、Fe等）及夾雜物的作用，能夠改善合金的流動性和加工性能，不過目前單稀土元素的強化效果仍不理想，多元稀土的強化機理研究還不夠成熟。按照加工工藝分類，鎂合金可分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。變形鎂合金是通過壓力加工，如鍛造、擠壓、軋制等方法獲得的，其組織致密，強度性能高，可塑性好，能夠承受較大的塑性變形而不發(fā)生破裂。例如，在航空航天領(lǐng)域，常使用變形鎂合金制造飛機的機翼大梁、機身框架等結(jié)構(gòu)件，這些部件需要具備較高的強度和良好的塑性，以滿足飛機在飛行過程中承受各種復(fù)雜載荷的要求。鑄造鎂合金則主要用于壓鑄交通運輸裝備、機器、電氣電子產(chǎn)品等零配件，其壓鑄成型效率高，能夠生產(chǎn)出表面品質(zhì)優(yōu)良、晶粒細小均勻、壁厚薄且形狀復(fù)雜的工件。以汽車行業(yè)為例，汽車發(fā)動機的缸蓋、變速箱殼體等許多零部件都采用鑄造鎂合金制造，利用其良好的鑄造性能，可以制造出形狀復(fù)雜、精度高的零部件，滿足汽車發(fā)動機和變速箱等部件的結(jié)構(gòu)和性能要求。1.2Mg-Al系合金研究現(xiàn)狀1.2.1Mg-Al系合金的應(yīng)用Mg-Al系合金憑借其獨特的性能優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)重量對于提高飛行器的性能至關(guān)重要。Mg-Al系合金的低密度特性使其成為航空航天結(jié)構(gòu)件的理想材料之一。例如，在飛機的制造中，一些非關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件，如艙門、內(nèi)飾件等，已經(jīng)開始使用Mg-Al系合金?？湛虯320系列飛機就采用了一定比例的鎂合金部件，有效減輕了飛機的重量，降低了燃油消耗，提高了飛行效率。在衛(wèi)星領(lǐng)域，Mg-Al系合金也被用于制造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)框架和一些儀器設(shè)備的外殼，如美國的哈勃太空望遠鏡的部分結(jié)構(gòu)件就使用了鎂合金，以減輕衛(wèi)星的重量，增加其有效載荷，同時利用鎂合金良好的電磁屏蔽性能，保護內(nèi)部精密儀器免受電磁干擾。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對材料性能的要求也越來越高，Mg-Al系合金有望在更多關(guān)鍵部件上得到應(yīng)用，進一步推動航空航天事業(yè)的發(fā)展。在汽車制造領(lǐng)域，汽車輕量化是提高汽車燃油經(jīng)濟性和降低尾氣排放的重要途徑。Mg-Al系合金由于其低密度和較高的比強度，成為汽車輕量化的首選材料之一。目前，Mg-Al系合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車的發(fā)動機、變速箱、底盤、車身等部件。例如，奔馳公司的部分車型采用了鎂合金發(fā)動機缸體，相比傳統(tǒng)的鑄鐵缸體，重量減輕了30%-40%，不僅提高了發(fā)動機的效率，還降低了整車的重量。寶馬汽車的一些車型則使用了鎂合金的變速箱殼體和底盤部件，有效提升了汽車的操控性能和燃油經(jīng)濟性。隨著全球?qū)Νh(huán)保和節(jié)能的要求日益嚴格，汽車輕量化的需求將不斷增加，Mg-Al系合金在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。在電子設(shè)備領(lǐng)域，Mg-Al系合金的應(yīng)用也越來越廣泛。隨著電子產(chǎn)品向輕薄化、小型化方向發(fā)展，對材料的性能提出了更高的要求。Mg-Al系合金具有良好的強度、硬度、導(dǎo)熱性和電磁屏蔽性能，非常適合用于制造電子產(chǎn)品的外殼、散熱器等部件。例如，蘋果公司的MacBook系列筆記本電腦就采用了鎂合金外殼，不僅使電腦更加輕薄，還提高了其散熱性能和電磁屏蔽性能，為用戶提供了更好的使用體驗。華為、小米等品牌的一些智能手機也開始采用鎂合金部件，提升了手機的整體性能和品質(zhì)。隨著5G技術(shù)的普及和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電子設(shè)備的市場需求將不斷增長，Mg-Al系合金在電子設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用將迎來更大的發(fā)展機遇。1.2.2Mg-Al系合金存在的問題盡管Mg-Al系合金在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了應(yīng)用潛力，但不可忽視的是，它也存在一些問題，這些問題對其性能和應(yīng)用產(chǎn)生了一定的限制。Mg-Al系合金存在晶粒粗大的問題。在合金的凝固過程中，由于冷卻速度等因素的影響，容易導(dǎo)致晶粒生長較大。粗大的晶粒會降低合金的強度、塑性和韌性等力學(xué)性能。例如，在拉伸試驗中，晶粒粗大的Mg-Al系合金更容易發(fā)生裂紋的萌生和擴展，從而降低其抗拉強度和延伸率。以AZ91D合金為例，其鑄態(tài)組織中的晶粒尺寸較大，在一些對力學(xué)性能要求較高的應(yīng)用場景中，如航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，這種粗大的晶粒結(jié)構(gòu)無法滿足高強度和高韌性的要求，限制了其進一步應(yīng)用。Mg-Al系合金的熱裂傾向較大。在鑄造過程中，當(dāng)合金凝固收縮時，由于各部分收縮不均勻，在熱應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生熱裂紋。熱裂的存在會嚴重影響合金鑄件的質(zhì)量和性能，增加廢品率，提高生產(chǎn)成本。例如，在生產(chǎn)大型復(fù)雜的汽車零部件時，如發(fā)動機缸體，熱裂問題可能導(dǎo)致鑄件報廢，不僅浪費了原材料和生產(chǎn)時間，還影響了生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益。耐蝕性差也是Mg-Al系合金的一個突出問題。鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，在大氣環(huán)境中容易與氧氣、水等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面腐蝕。Mg-Al系合金中的第二相，如β-Mg_{17}Al_{12}相，與基體之間存在電位差，會形成微電池，加速腐蝕過程。較差的耐蝕性限制了Mg-Al系合金在一些惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，如海洋工程、戶外設(shè)備等領(lǐng)域。例如，在海洋環(huán)境中，Mg-Al系合金制成的零部件容易受到海水的侵蝕，導(dǎo)致表面生銹、損壞，縮短了設(shè)備的使用壽命，增加了維護成本。此外，Mg-Al系合金的高溫性能也有待提高。在較高溫度下，合金中的原子活性增加，晶界弱化，導(dǎo)致合金的強度和抗蠕變性能下降。這使得Mg-Al系合金在一些高溫應(yīng)用場景中，如汽車發(fā)動機的高溫部件、航空發(fā)動機的部分零件等，無法滿足使用要求，限制了其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。1.3Ca元素在Mg-Al系合金中的作用研究進展1.3.1Ca對合金組織的影響在Mg-Al系合金中，Ca元素對合金組織有著多方面的顯著影響，主要體現(xiàn)在晶粒細化以及第二相種類和分布的改變上。Ca元素能夠有效細化Mg-Al系合金的晶粒。相關(guān)研究表明，當(dāng)在Mg-Al系合金中添加Ca元素時，Ca原子會在合金凝固過程中吸附在晶界處，阻礙晶粒的生長。這是因為Ca原子的半徑與Mg原子半徑存在差異，在晶界處形成的晶格畸變會增加晶界的能量，使得晶界遷移變得困難，從而抑制了晶粒的長大，達到細化晶粒的效果。例如，在對Mg-6Al合金的研究中，當(dāng)添加0.5%的Ca后，合金的平均晶粒尺寸從原來的50μm減小到了30μm左右，晶粒細化效果明顯。這種晶粒細化作用能夠提高合金的強度和韌性，因為細晶粒組織增加了晶界面積，晶界可以阻礙位錯的運動，使得材料在受力時需要消耗更多的能量來促使位錯滑移，從而提高了材料的強度；同時，細晶粒組織還能使材料在變形時更加均勻，減少應(yīng)力集中，降低裂紋萌生的可能性，進而提高材料的韌性。Ca元素的加入會改變Mg-Al系合金中第二相的種類和分布。在Mg-Al系合金中，常見的第二相為β-Mg_{17}Al_{12}相，而Ca的加入會促使新的第二相生成。研究發(fā)現(xiàn)，Ca與Mg、Al會形成多種化合物，如Mg_2Ca、(Mg,Al)_2Ca、Al_2Ca等。這些含Ca的第二相具有較高的熔點和熱穩(wěn)定性，與β-Mg_{17}Al_{12}相相比，在高溫下更能有效地阻礙晶界滑動，從而提高合金的高溫性能。當(dāng)Ca含量增加時，合金中第二相的分布也會發(fā)生變化。在低Ca含量時，第二相可能以細小的顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)；隨著Ca含量的增加，第二相可能會逐漸聚集長大，在晶界處形成連續(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。這種第二相分布的變化會對合金的性能產(chǎn)生重要影響，如連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀第二相結(jié)構(gòu)可以提高合金的強度，但可能會降低合金的塑性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐超教授團隊對Mg-Al-Ca-Mn合金體系的研究表明，當(dāng)Ca/Al質(zhì)量比為0.4時，鑄態(tài)Mg-5Al-2Ca-0.4Mn合金中的第二相為(Mg,Al)_2Ca相；當(dāng)Ca/Al質(zhì)量比為0.75時，鑄態(tài)Mg-4Al-3Ca-0.4Mn合金中的第二相為(Mg,Al)_2Ca相和Mg_2Ca相；當(dāng)Ca/Al質(zhì)量比為1.3時，鑄態(tài)Mg-3Al-4Ca-0.4Mn合金中的第二相為Mg_2Ca相。隨著Ca/Al質(zhì)量比的增加，合金中的第二相由(Mg,Al)_2Ca相向Mg_2Ca相轉(zhuǎn)變，且第二相的層間距逐漸減小，體積分數(shù)逐漸增加。這充分說明了Ca元素的含量以及Ca與Al的比例對Mg-Al系合金第二相種類和分布有著重要的調(diào)控作用。1.3.2Ca對合金性能的影響Ca元素的添加對Mg-Al系合金的性能有著多方面的提升作用，主要體現(xiàn)在力學(xué)性能、耐熱性能和耐蝕性能等方面。在力學(xué)性能方面，Ca元素的加入可以顯著提高Mg-Al系合金的強度。如前文所述，Ca元素通過細化晶粒和改變第二相的種類及分布來實現(xiàn)對合金強度的提升。細晶強化和第二相強化是提高合金強度的重要機制。細晶粒組織增加了晶界面積，晶界阻礙位錯運動，使得合金強度提高；而含Ca的第二相，如Mg_2Ca、(Mg,Al)_2Ca等，具有較高的硬度和熱穩(wěn)定性，它們可以作為硬質(zhì)點彌散分布在基體中，阻礙位錯的滑移，從而起到第二相強化的作用。有研究表明，在Mg-8Al合金中添加1.5%的Ca后，合金的屈服強度從原來的120MPa提高到了150MPa左右，抗拉強度也有相應(yīng)的提高。然而，Ca元素的添加在提高合金強度的同時，可能會對合金的塑性產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)Ca含量過高時，第二相可能會過度聚集長大，在晶界處形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在受力時容易成為裂紋源，導(dǎo)致合金的塑性下降。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ca含量超過一定值后，合金的伸長率會明顯降低。因此，在添加Ca元素時，需要綜合考慮強度和塑性的平衡，選擇合適的Ca含量。Ca元素對Mg-Al系合金的耐熱性能提升作用也十分顯著。Mg-Al系合金在高溫下，由于β-Mg_{17}Al_{12}相的軟化，晶界容易發(fā)生滑動，導(dǎo)致合金的強度和抗蠕變性能下降。而Ca元素的加入形成的含Ca第二相具有較高的熔點和熱穩(wěn)定性，在高溫下能夠有效地阻礙晶界滑動，提高合金的耐熱性能。例如，Mg_2Ca相的熔點較高，在高溫下能夠保持穩(wěn)定，它可以釘扎晶界，阻止晶界的遷移和滑動，從而提高合金的抗蠕變性能。研究表明，在Mg-Al系合金中添加適量的Ca后，合金在150℃以上的高溫環(huán)境下，其抗拉強度和抗蠕變性能都有明顯的提高，能夠滿足一些高溫應(yīng)用場景的需求。在耐蝕性能方面，Ca元素的添加也能對Mg-Al系合金產(chǎn)生積極影響。鎂合金的耐蝕性較差，主要是因為鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，容易與外界介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在Mg-Al系合金中，β-Mg_{17}Al_{12}相與基體之間存在電位差，會形成微電池，加速腐蝕過程。Ca元素的加入可以改變合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，減少β-Mg_{17}Al_{12}相的含量，同時形成的含Ca第二相可以在一定程度上阻礙腐蝕介質(zhì)的侵蝕。相關(guān)研究表明，添加Ca后的Mg-Al系合金，其在中性鹽溶液中的腐蝕速率明顯降低，耐蝕性能得到了改善。此外，Ca元素還可以與合金中的雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，減少雜質(zhì)對合金耐蝕性的不利影響。例如，Ca可以與鐵等雜質(zhì)元素形成化合物，降低雜質(zhì)在合金中的溶解度，從而減少因雜質(zhì)引起的微電池腐蝕。1.4鎂合金錠坯制備技術(shù)研究現(xiàn)狀1.4.1半連鑄技術(shù)原理與特點半連鑄技術(shù)，又被稱為“水平連續(xù)鑄造技術(shù)”，是一種在金屬材料成型領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要技術(shù)，在鎂合金錠坯制備中占據(jù)著關(guān)鍵地位。其工藝流程具有系統(tǒng)性和連貫性，首先將鎂合金原料在熔爐中進行高溫熔煉，使其完全熔化為液態(tài)。在這個過程中，需要精確控制熔煉溫度和時間，以確保鎂合金的成分均勻性和純度，因為溫度過高或過低都可能導(dǎo)致合金元素的燒損或偏析，影響后續(xù)錠坯的質(zhì)量。當(dāng)鎂合金完全熔化后，通過特定的澆注系統(tǒng)，將液態(tài)鎂合金平穩(wěn)地注入到水冷結(jié)晶器中。水冷結(jié)晶器是半連鑄技術(shù)的核心部件之一，它通過循環(huán)水的冷卻作用，使與結(jié)晶器內(nèi)壁接觸的液態(tài)鎂合金迅速凝固，形成一層凝固殼。隨著凝固殼的逐漸增厚，在牽引裝置的作用下，已凝固的錠坯被緩慢地從結(jié)晶器中拉出，而液態(tài)鎂合金則不斷補充進來，繼續(xù)在結(jié)晶器內(nèi)凝固，從而實現(xiàn)了連續(xù)的鑄造過程。在整個半連鑄過程中，對澆注速度、冷卻強度和牽引速度等工藝參數(shù)的精確控制至關(guān)重要，這些參數(shù)直接影響著鎂合金錠坯的質(zhì)量和性能。從原理上看，半連鑄技術(shù)主要基于金屬的凝固結(jié)晶原理。在水冷結(jié)晶器的冷卻作用下，液態(tài)鎂合金從外向內(nèi)逐漸凝固，形成柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)。在柱狀晶區(qū)，晶體沿著與熱流相反的方向生長，由于冷卻速度較快，晶體生長較為緊密；而在中心等軸晶區(qū)，由于液態(tài)金屬的溫度梯度較小，晶體在各個方向上均勻生長，形成等軸晶粒。通過控制冷卻速度和凝固條件，可以調(diào)整柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)的比例和晶粒尺寸，從而影響錠坯的性能。半連鑄技術(shù)在鎂合金錠坯制備中具有諸多優(yōu)點。這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高，相比于傳統(tǒng)的鑄造方法，如砂型鑄造，其生產(chǎn)速度更快，能夠滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。例如，在汽車零部件生產(chǎn)中，需要大量的鎂合金錠坯，半連鑄技術(shù)可以高效地提供這些錠坯，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。半連鑄技術(shù)制備的鎂合金錠坯質(zhì)量相對穩(wěn)定。由于冷卻速度較快，晶粒得到細化，組織更加致密，從而提高了錠坯的力學(xué)性能。研究表明，半連鑄制備的鎂合金錠坯的強度和韌性比普通鑄造的錠坯提高了10%-20%。半連鑄技術(shù)還具有設(shè)備投資相對較低、操作簡單等優(yōu)點，適合中小企業(yè)采用。然而，半連鑄技術(shù)也存在一些缺點。在半連鑄過程中，由于冷卻速度不均勻，容易導(dǎo)致錠坯出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，尤其是在合金元素含量較高時，偏析問題更為嚴重。偏析會使錠坯的成分和性能不均勻，影響其后續(xù)加工和使用性能。半連鑄技術(shù)對工藝參數(shù)的控制要求較高，一旦參數(shù)控制不當(dāng)，就容易出現(xiàn)表面裂紋、內(nèi)部氣孔等缺陷，降低錠坯的合格率。半連鑄技術(shù)生產(chǎn)的錠坯尺寸受到一定限制，對于一些大型或特殊形狀的鎂合金錠坯，可能無法滿足要求。1.4.2電磁鑄造技術(shù)對鎂合金錠坯質(zhì)量的影響電磁鑄造技術(shù)是一種利用電磁場對金屬凝固過程進行控制的先進鑄造技術(shù)，在鎂合金錠坯制備中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，對鎂合金錠坯質(zhì)量有著多方面的顯著影響。在鎂合金凝固過程中，電磁場對形核和生長有著重要的影響機制。當(dāng)在鎂合金凝固過程中施加電磁場時，會產(chǎn)生電磁力。這種電磁力會對液態(tài)鎂合金產(chǎn)生攪拌作用，使液態(tài)金屬中的溫度場和成分場更加均勻。均勻的溫度場和成分場有利于增加形核核心的數(shù)量，因為在均勻的環(huán)境中，更易于滿足形核的條件，如過冷度和成分起伏等。電磁力的攪拌作用還可以打碎正在生長的枝晶，使枝晶碎片成為新的形核核心，進一步增加形核率。電磁場還可以改變晶體的生長方向。在電磁場的作用下，晶體的生長不再是沿著單一的熱流方向進行，而是受到電磁力的影響，呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的生長形態(tài)，從而使晶粒得到細化。電磁場對鎂合金錠坯的微觀組織有著顯著的改善作用。通過上述對形核和生長的影響，電磁鑄造技術(shù)能夠使鎂合金錠坯的晶粒得到細化。細化的晶?？梢栽黾泳Ы缑娣e，晶界作為位錯運動的障礙，能夠提高材料的強度和韌性。研究表明，經(jīng)過電磁鑄造的鎂合金錠坯，其平均晶粒尺寸可以減小30%-50%，強度提高15%-30%，韌性也有明顯提升。電磁場還可以改善第二相的分布。在傳統(tǒng)鑄造中，第二相可能會出現(xiàn)聚集或偏析現(xiàn)象，而在電磁鑄造中，電磁力的攪拌作用可以使第二相更加均勻地分布在基體中，從而提高合金的綜合性能。在性能方面，電磁鑄造技術(shù)制備的鎂合金錠坯具有更好的力學(xué)性能。除了上述由于晶粒細化和第二相均勻分布帶來的強度和韌性提升外，電磁鑄造還可以提高合金的硬度和疲勞性能。由于晶粒細化，位錯運動更加困難，使得材料的硬度增加；而均勻的微觀組織和良好的第二相分布可以減少疲勞裂紋的萌生和擴展，從而提高合金的疲勞性能。電磁鑄造技術(shù)還可以改善鎂合金錠坯的表面質(zhì)量。在電磁場的作用下，液態(tài)鎂合金與結(jié)晶器壁之間的摩擦力減小，減少了表面缺陷的產(chǎn)生，使錠坯表面更加光滑，有利于后續(xù)的加工和使用。1.5課題研究目的與意義本課題旨在開發(fā)新型Mg-3Al-xCa系合金，并對其錠坯制備工藝進行優(yōu)化研究，以解決現(xiàn)有Mg-Al系合金存在的問題，滿足工業(yè)發(fā)展對高性能鎂合金材料的需求。從研究目的來看，一是通過系統(tǒng)研究Ca元素在Mg-3Al系合金中的作用機制，確定Ca元素的最佳添加量，從而開發(fā)出具有良好綜合性能的Mg-3Al-xCa系合金。具體而言，深入探究Ca元素對合金微觀組織，包括晶粒尺寸、第二相種類和分布等的影響規(guī)律，以及對合金力學(xué)性能（如強度、塑性、韌性）、耐熱性能和耐蝕性能等的提升作用，為合金成分的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。二是針對Mg-3Al-xCa系合金錠坯的制備，研究半連鑄技術(shù)和電磁鑄造技術(shù)的工藝參數(shù)對錠坯質(zhì)量的影響，優(yōu)化制備工藝，提高錠坯的質(zhì)量和性能。例如，研究半連鑄過程中澆注速度、冷卻強度和牽引速度等參數(shù)與錠坯偏析、表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷等之間的關(guān)系，通過優(yōu)化這些參數(shù)來減少錠坯的缺陷；研究電磁鑄造中電磁場參數(shù)（如磁場強度、頻率等）對合金凝固過程中形核、生長以及微觀組織和性能的影響，探索出最佳的電磁鑄造工藝參數(shù)組合。從研究意義方面分析，在理論層面，本研究有助于深入理解Ca元素在Mg-Al系合金中的作用機制，豐富鎂合金材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論。通過對Ca元素影響合金組織和性能的深入研究，為進一步開發(fā)新型鎂合金材料提供新的思路和方法，推動鎂合金材料科學(xué)的發(fā)展。例如，揭示Ca元素與Mg、Al之間形成的化合物的晶體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)穩(wěn)定性以及它們在合金中的強化機制等，有助于建立更加完善的鎂合金合金化理論體系。在實際應(yīng)用層面，開發(fā)的新型Mg-3Al-xCa系合金若能具備良好的綜合性能，將有望在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動這些行業(yè)的技術(shù)進步和發(fā)展。在航空航天領(lǐng)域，新型合金的應(yīng)用可以進一步減輕飛行器的重量，提高飛行性能和燃油效率；在汽車行業(yè)，有助于實現(xiàn)汽車的輕量化，降低能耗，減少尾氣排放，同時提高汽車的安全性和舒適性；在電子設(shè)備領(lǐng)域，能夠滿足電子產(chǎn)品輕薄化、高性能的發(fā)展需求，提升產(chǎn)品的競爭力。優(yōu)化后的錠坯制備工藝可以提高鎂合金錠坯的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，為鎂合金材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。通過提高錠坯質(zhì)量，減少廢品率，降低后續(xù)加工成本，使得鎂合金材料在市場上更具競爭力，促進鎂合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.6課題研究內(nèi)容與方法本課題主要圍繞新型Mg-3Al-xCa系合金的開發(fā)及其錠坯制備展開深入研究，具體研究內(nèi)容與方法如下：1.6.1研究內(nèi)容Mg-3Al-xCa系合金成分設(shè)計與優(yōu)化：通過查閱大量文獻資料，深入了解Ca元素在Mg-Al系合金中的作用機制，初步確定Ca元素的添加范圍?；诖耍O(shè)計一系列不同Ca含量（x取值為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等）的Mg-3Al-xCa系合金成分方案。采用熱力學(xué)計算軟件，如Thermo-Calc，對不同成分合金的相組成、凝固過程以及熱力學(xué)性能進行模擬分析，預(yù)測合金中可能出現(xiàn)的相和組織形態(tài)，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。通過模擬，篩選出具有潛在良好性能的合金成分，進一步優(yōu)化合金成分設(shè)計，確定后續(xù)實驗研究的具體合金成分。Mg-3Al-xCa系合金組織與性能研究：采用電阻爐熔煉和金屬型鑄造方法制備Mg-3Al-xCa系合金鑄錠。在熔煉過程中，嚴格控制熔煉溫度、時間和保護氣氛，確保合金成分均勻，減少雜質(zhì)和氣體的混入。對制備的合金鑄錠進行切割、打磨、拋光等預(yù)處理，采用金相顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析儀（EDS）等微觀分析手段，觀察合金的微觀組織，包括晶粒尺寸、形態(tài)、分布以及第二相的種類、數(shù)量、尺寸和分布等。通過OM觀察合金的晶粒大小和形態(tài)，利用Image-ProPlus軟件對晶粒尺寸進行統(tǒng)計分析；通過SEM和EDS分析第二相的成分和結(jié)構(gòu)，確定第二相的種類。利用X射線衍射儀（XRD）對合金的相組成進行分析，確定合金中各相的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。對合金進行室溫拉伸試驗、硬度測試、沖擊韌性測試等力學(xué)性能測試，研究Ca元素含量對合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。采用高溫拉伸試驗和蠕變試驗，研究合金在高溫下的力學(xué)性能和抗蠕變性能。利用電化學(xué)工作站和鹽霧試驗箱，對合金的耐腐蝕性能進行測試，分析Ca元素對合金耐腐蝕性能的影響。Mg-3Al-xCa系合金錠坯制備工藝優(yōu)化：研究半連鑄技術(shù)制備Mg-3Al-xCa系合金錠坯的工藝參數(shù)對錠坯質(zhì)量的影響。通過改變澆注速度（如設(shè)置為0.5m/min、1.0m/min、1.5m/min等）、冷卻強度（調(diào)整冷卻水量、冷卻水流速等）和牽引速度（取值為0.3m/min、0.6m/min、0.9m/min等），制備不同工藝參數(shù)下的合金錠坯。對錠坯進行宏觀和微觀質(zhì)量檢測，包括觀察錠坯表面質(zhì)量，檢測內(nèi)部是否存在氣孔、縮孔、裂紋等缺陷，分析偏析情況等。采用超聲探傷儀檢測錠坯內(nèi)部缺陷，利用電子探針（EPMA）分析錠坯的成分偏析。通過實驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，建立工藝參數(shù)與錠坯質(zhì)量之間的關(guān)系模型，優(yōu)化半連鑄工藝參數(shù)，提高錠坯質(zhì)量。研究電磁鑄造技術(shù)制備Mg-3Al-xCa系合金錠坯時，電磁場參數(shù)（如磁場強度設(shè)置為0.1T、0.2T、0.3T等，頻率設(shè)置為50Hz、100Hz、150Hz等）對合金凝固過程、微觀組織和性能的影響。利用數(shù)值模擬軟件，如ANSYSMaxwell，對電磁鑄造過程中的電磁場分布、電磁力作用以及合金液的流動和凝固進行模擬分析，揭示電磁場對合金凝固過程的影響機制。結(jié)合模擬結(jié)果和實驗研究，優(yōu)化電磁鑄造工藝參數(shù)，制備出高質(zhì)量的Mg-3Al-xCa系合金錠坯。1.6.2研究方法實驗研究法：通過設(shè)計并實施一系列實驗，獲取關(guān)于Mg-3Al-xCa系合金的成分、組織、性能以及錠坯制備工藝的數(shù)據(jù)。在合金制備實驗中，嚴格控制實驗條件，包括原材料的純度、熔煉和鑄造設(shè)備的參數(shù)等，確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性。在性能測試實驗中，按照相關(guān)標準和規(guī)范進行操作，保證測試數(shù)據(jù)的有效性。對實驗數(shù)據(jù)進行整理、分析和對比，總結(jié)規(guī)律，為合金成分優(yōu)化和工藝改進提供依據(jù)。微觀分析方法：運用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、X射線衍射儀等微觀分析手段，對Mg-3Al-xCa系合金的微觀組織和相組成進行深入研究。金相顯微鏡用于觀察合金的晶粒形態(tài)和大小，掃描電子顯微鏡和能譜分析儀用于分析第二相的成分和結(jié)構(gòu)，X射線衍射儀用于確定合金的相組成和晶體結(jié)構(gòu)。這些微觀分析方法能夠從微觀層面揭示合金的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為合金性能的優(yōu)化提供微觀理論支持。數(shù)值模擬方法：借助熱力學(xué)計算軟件（如Thermo-Calc）和電磁模擬軟件（如ANSYSMaxwell）等，對Mg-3Al-xCa系合金的凝固過程、相組成以及電磁鑄造過程中的電磁場分布、電磁力作用等進行數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬，可以在實驗前對合金成分和工藝參數(shù)進行初步篩選和優(yōu)化，減少實驗次數(shù)，降低研究成本。同時，數(shù)值模擬結(jié)果能夠提供一些難以通過實驗直接觀察到的信息，如合金液在凝固過程中的溫度場、濃度場分布等，有助于深入理解合金的凝固機制和性能變化規(guī)律。二、實驗材料與方法2.1實驗材料本實驗選用的原材料主要包括純鎂、純鋁和純鈣。其中，純鎂的純度高達99.9%，以鎂錠的形式供應(yīng)，規(guī)格通常為長約100mm、寬約50mm、厚約20mm，其來源為國內(nèi)某知名鎂業(yè)生產(chǎn)廠家，該廠家在鎂產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域擁有先進的生產(chǎn)技術(shù)和嚴格的質(zhì)量控制體系，確保了純鎂的高純度和穩(wěn)定質(zhì)量。純鋁的純度為99.7%，以鋁錠的形式存在，常見規(guī)格為長150mm、寬80mm、厚30mm，購自一家具有良好口碑的鋁制品供應(yīng)商，該供應(yīng)商的鋁產(chǎn)品在市場上以質(zhì)量可靠著稱。純鈣的純度達到99.0%，為鈣粒狀，每粒直徑約3-5mm，來源于專業(yè)的稀有金屬材料公司，該公司專注于稀有金屬的提純和供應(yīng)，能夠提供滿足實驗要求的高純度鈣粒。在實際實驗過程中，這些原材料的質(zhì)量對實驗結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。純鎂的高純度保證了合金中雜質(zhì)含量低，減少了雜質(zhì)對合金性能的不良影響，使研究Ca元素在Mg-Al系合金中的作用更加準確和可靠。例如，若純鎂中含有較多的鐵、銅等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會與合金中的其他元素形成有害的金屬間化合物，影響合金的力學(xué)性能和耐蝕性能，從而干擾對Ca元素作用的研究。純鋁的穩(wěn)定質(zhì)量和合適規(guī)格方便了實驗過程中的稱量和添加，確保了合金成分的準確性。準確控制鋁的含量對于研究Mg-Al-Ca系合金的性能變化規(guī)律至關(guān)重要，因為鋁含量的波動可能會導(dǎo)致合金中相組成和微觀結(jié)構(gòu)的改變，進而影響合金的性能。純鈣的高純度和特定形態(tài)（鈣粒狀）有利于精確控制其在合金中的添加量，并且在熔煉過程中能夠更均勻地分散在合金液中。如果鈣的純度不足，其中的雜質(zhì)可能會與合金中的其他元素發(fā)生反應(yīng)，改變合金的成分和性能；而鈣粒狀的形態(tài)使其在熔煉時更容易與合金液充分接觸和混合，保證了合金成分的均勻性。2.2合金成分設(shè)計合金成分的精準設(shè)計是開發(fā)高性能Mg-3Al-xCa系合金的核心環(huán)節(jié)，它基于合金設(shè)計原理，緊密圍繞目標性能展開。在Mg-3Al系合金中，Al含量固定為3%，這是因為在該含量下，合金能在強度、塑性等性能之間取得較好的平衡，已被大量研究和實際應(yīng)用所證實。而Ca元素的添加則是本研究的關(guān)鍵變量，其添加范圍的確定經(jīng)過了多方面的考量。從Ca元素對Mg-Al系合金的作用機制來看，適量的Ca能夠細化晶粒，改善合金的力學(xué)性能。當(dāng)Ca含量較低時，細化效果可能不明顯；隨著Ca含量的增加，晶粒細化效果逐漸增強，但當(dāng)Ca含量超過一定限度時，可能會導(dǎo)致合金中出現(xiàn)過多的第二相，這些第二相可能會聚集長大，在晶界處形成連續(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，從而降低合金的塑性。相關(guān)研究表明，當(dāng)Ca含量超過2.5%時，合金的塑性會有較為明顯的下降。考慮到實際應(yīng)用中對合金綜合性能的需求，不僅要提高合金的強度和耐熱性能，還需要保證一定的塑性和韌性，因此初步確定Ca元素的添加范圍為0.5%-2.5%。在這個添加范圍內(nèi)，進一步選取了多個具體成分點進行研究，分別為Mg-3Al-0.5Ca、Mg-3Al-1.0Ca、Mg-3Al-1.5Ca、Mg-3Al-2.0Ca和Mg-3Al-2.5Ca。選擇這些成分點是為了系統(tǒng)地研究Ca元素含量對合金組織和性能的影響規(guī)律。通過對不同Ca含量合金的對比分析，可以清晰地了解Ca元素含量的變化如何影響合金的晶粒尺寸、第二相的種類和分布，以及合金的力學(xué)性能、耐熱性能和耐蝕性能等。例如，Mg-3Al-0.5Ca合金中Ca含量相對較低，主要用于研究低Ca含量下對合金組織和性能的初步影響；而Mg-3Al-2.5Ca合金中Ca含量較高，用于探究高Ca含量時合金組織和性能的變化趨勢，以及可能出現(xiàn)的問題。通過對這一系列不同成分合金的全面研究，能夠更準確地確定Ca元素的最佳添加量，為開發(fā)高性能Mg-3Al-xCa系合金提供堅實的實驗依據(jù)。2.3合金制備工藝2.3.1熔煉與鑄造設(shè)備本實驗采用的熔煉設(shè)備為SX2-12-10型箱式電阻爐，其最高工作溫度可達1000℃，額定功率為12kW，爐膛尺寸為500mm×300mm×200mm。該電阻爐主要由爐體、加熱元件、溫控系統(tǒng)等部分組成。爐體采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板制成，內(nèi)部襯有陶瓷纖維保溫材料，能夠有效減少熱量散失，提高能源利用效率。加熱元件為硅碳棒，均勻分布在爐膛兩側(cè)，通過電能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)對爐內(nèi)物料的加熱。溫控系統(tǒng)采用智能PID控制器，能夠精確控制爐內(nèi)溫度，控溫精度可達±1℃。在熔煉過程中，通過溫控系統(tǒng)設(shè)定并監(jiān)控熔煉溫度，確保合金熔煉在合適的溫度范圍內(nèi)進行。例如，在熔煉Mg-3Al-xCa系合金時，根據(jù)合金成分和熔煉要求，將溫度設(shè)定在750℃-800℃之間。鑄造模具選用金屬型模具，材質(zhì)為H13熱作模具鋼，具有良好的熱強性、熱疲勞性和耐磨性，能夠承受鑄造過程中的高溫和熱沖擊。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計為分體式，便于安裝、拆卸和清理，同時也有利于鑄件的脫模。模具型腔尺寸根據(jù)實驗需求設(shè)計為直徑50mm、高100mm的圓柱形，以制備出符合實驗要求尺寸的合金鑄錠。在使用前，對模具進行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度控制在200℃-250℃，目的是減少模具與液態(tài)合金之間的溫差，避免因溫度驟變導(dǎo)致模具損壞或鑄件產(chǎn)生缺陷。預(yù)熱后的模具表面均勻噴涂一層脫模劑，以降低鑄件與模具之間的摩擦力，便于鑄件順利脫模，同時也能提高鑄件的表面質(zhì)量。2.3.2熔煉與鑄造工藝參數(shù)熔煉溫度和時間的確定依據(jù)合金的熔點和成分均勻性要求。Mg-3Al-xCa系合金的熔點約為630℃-650℃，考慮到熔煉過程中需要使合金充分熔化且成分均勻，將熔煉溫度設(shè)定為750℃-800℃。在該溫度下，合金能夠快速熔化，同時減少元素的燒損。熔煉時間設(shè)定為1.5-2小時，通過對不同熔煉時間的合金進行成分分析和組織觀察發(fā)現(xiàn)，1.5-2小時能夠使合金成分達到較好的均勻性。例如，對熔煉1.5小時和2小時的Mg-3Al-1.0Ca合金進行能譜分析，結(jié)果顯示2小時熔煉的合金成分均勻性更好，各元素分布更加均勻。攪拌方式采用機械攪拌，在熔煉過程中，當(dāng)合金熔化后，使用攪拌器以100-150r/min的轉(zhuǎn)速進行攪拌，攪拌時間為15-20分鐘。機械攪拌的目的是促進合金液中各元素的均勻混合，減少成分偏析。通過攪拌，能夠使Ca元素更均勻地分散在Mg-Al合金液中，避免因Ca元素局部富集或貧化而影響合金的性能。例如，對攪拌和未攪拌的Mg-3Al-1.5Ca合金鑄錠進行微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)攪拌后的合金鑄錠中第二相分布更加均勻，晶粒尺寸也更加均勻。鑄造溫度根據(jù)合金的流動性和凝固特性確定，設(shè)定為700℃-730℃。在此溫度范圍內(nèi)，合金液具有良好的流動性，能夠順利填充模具型腔，同時避免因溫度過高導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。鑄造速度控制在5-8mm/s，速度過快可能導(dǎo)致合金液在模具內(nèi)填充不均勻，產(chǎn)生冷隔等缺陷；速度過慢則會影響生產(chǎn)效率，且可能使合金液在模具內(nèi)提前凝固，導(dǎo)致鑄件無法成型。冷卻方式采用水冷，在鑄造完成后，立即對模具進行水冷，冷卻水流速控制在0.5-1m/s。水冷能夠使鑄件快速冷卻，細化晶粒，提高鑄件的力學(xué)性能。研究表明，水冷后的Mg-3Al-xCa系合金鑄錠晶粒尺寸比空冷的明顯減小，強度和韌性也有相應(yīng)提高。通過對水冷和空冷的Mg-3Al-2.0Ca合金鑄錠進行室溫拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)水冷鑄錠的抗拉強度比空冷鑄錠提高了15%左右。2.4錠坯制備工藝2.4.1半連鑄工藝半連鑄設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由熔煉爐、澆注系統(tǒng)、結(jié)晶器、冷卻系統(tǒng)、拉坯裝置等部分組成。熔煉爐是熔化鎂合金原料的關(guān)鍵設(shè)備，本實驗采用電阻爐作為熔煉爐，能夠精準控制溫度，確保合金熔煉的穩(wěn)定性。澆注系統(tǒng)的作用是將熔煉好的液態(tài)鎂合金平穩(wěn)地輸送至結(jié)晶器中，它由澆包、澆口杯、流槽等部件構(gòu)成，其中流槽的設(shè)計至關(guān)重要，其形狀和傾斜角度會影響合金液的流速和流量，進而影響錠坯的質(zhì)量。例如，若流槽傾斜角度過大，合金液流速過快，可能導(dǎo)致澆注不均勻，產(chǎn)生冷隔等缺陷；若傾斜角度過小，合金液流速過慢，可能會使合金液在流槽中提前凝固，堵塞流槽。結(jié)晶器是半連鑄設(shè)備的核心部件，本實驗采用的是水冷結(jié)晶器，其結(jié)構(gòu)主要包括結(jié)晶器本體和冷卻水套。結(jié)晶器本體通常由紫銅制成，紫銅具有良好的導(dǎo)熱性，能夠使與結(jié)晶器內(nèi)壁接觸的液態(tài)鎂合金迅速凝固。冷卻水套環(huán)繞在結(jié)晶器本體周圍，通過循環(huán)水的流動帶走熱量，實現(xiàn)對液態(tài)鎂合金的冷卻凝固。結(jié)晶器的尺寸和形狀根據(jù)所需錠坯的規(guī)格進行設(shè)計，對于制備直徑為100mm的Mg-3Al-xCa系合金錠坯，結(jié)晶器的內(nèi)徑設(shè)計為102mm，高度為200mm，這樣的尺寸能夠保證液態(tài)鎂合金在結(jié)晶器內(nèi)有足夠的凝固時間和空間，同時也便于控制冷卻速度和拉坯速度。冷卻系統(tǒng)對于控制錠坯的凝固過程和質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。除了結(jié)晶器的水冷外，還包括對拉坯過程中錠坯的二次冷卻。二次冷卻采用噴水冷卻的方式，在拉坯裝置下方設(shè)置多個噴頭，均勻地向錠坯表面噴水，進一步加快錠坯的冷卻速度。冷卻水量和水壓是冷卻系統(tǒng)的重要參數(shù)，冷卻水量過大可能導(dǎo)致錠坯表面產(chǎn)生裂紋，冷卻水量過小則無法達到預(yù)期的冷卻效果，影響晶粒細化和組織致密性。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于Mg-3Al-xCa系合金錠坯的制備，冷卻水量控制在5-8L/min，水壓控制在0.2-0.3MPa時，能夠獲得較好的冷卻效果，使錠坯的組織和性能達到較優(yōu)狀態(tài)。拉坯速度控制是半連鑄工藝中的重要環(huán)節(jié)，它直接影響著錠坯的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。拉坯速度過快，會使液態(tài)鎂合金在結(jié)晶器內(nèi)來不及充分凝固，導(dǎo)致錠坯出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，如縮孔、縮松等；拉坯速度過慢，則會降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。在實際生產(chǎn)中，拉坯速度需要根據(jù)合金成分、結(jié)晶器尺寸、冷卻強度等因素進行調(diào)整。對于Mg-3Al-xCa系合金，當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)徑為102mm，冷卻水量為5-8L/min，水壓為0.2-0.3MPa時，拉坯速度控制在0.3-0.5m/min較為合適。通過調(diào)整拉坯速度，可以控制錠坯的凝固速度和凝固組織，進而影響錠坯的力學(xué)性能。例如，適當(dāng)降低拉坯速度，能夠使晶粒生長更加充分，得到更加均勻的晶粒組織，提高錠坯的強度和韌性。半連鑄工藝的流程如下：首先將鎂合金原料加入電阻爐中進行熔煉，在熔煉過程中，嚴格控制熔煉溫度在750℃-800℃，時間為1.5-2小時，以確保合金成分均勻。熔煉完成后，將液態(tài)鎂合金通過澆包倒入澆口杯，再經(jīng)流槽平穩(wěn)地注入水冷結(jié)晶器中。液態(tài)鎂合金在結(jié)晶器內(nèi)與內(nèi)壁接觸，迅速凝固形成凝固殼。當(dāng)凝固殼達到一定厚度后，啟動拉坯裝置，以設(shè)定的拉坯速度將已凝固的錠坯緩慢拉出結(jié)晶器。在拉坯過程中，通過二次冷卻系統(tǒng)對錠坯進行噴水冷卻，使其進一步凝固。當(dāng)錠坯達到所需長度后，停止拉坯，完成半連鑄過程。在整個工藝流程中，需要密切監(jiān)控各個環(huán)節(jié)的參數(shù)，如熔煉溫度、澆注溫度、冷卻水量、拉坯速度等，確保工藝的穩(wěn)定性和錠坯的質(zhì)量。2.4.2電磁鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化在電磁鑄造Mg-3Al-xCa系合金錠坯時，電磁場強度是一個關(guān)鍵參數(shù)，對錠坯質(zhì)量有著顯著影響。當(dāng)電磁場強度較低時，電磁力對液態(tài)鎂合金的攪拌作用較弱，無法有效打破正在生長的枝晶，晶粒細化效果不明顯，可能導(dǎo)致錠坯組織粗大，力學(xué)性能不佳。例如，當(dāng)磁場強度為0.05T時，通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，錠坯的晶粒尺寸較大，平均晶粒直徑達到50μm左右，且第二相分布不均勻，在晶界處有明顯的聚集現(xiàn)象。隨著電磁場強度的增加，電磁力增強，對液態(tài)鎂合金的攪拌作用加劇，能夠有效打碎枝晶，增加形核核心，使晶粒得到細化。當(dāng)磁場強度提高到0.2T時，晶粒尺寸明顯減小，平均晶粒直徑減小到25μm左右，第二相也更加均勻地分布在基體中，此時錠坯的強度和韌性得到顯著提升。然而，當(dāng)電磁場強度過高時，可能會產(chǎn)生一些負面影響。過高的電磁力可能會導(dǎo)致液態(tài)鎂合金的流動過于劇烈，產(chǎn)生紊流，使液態(tài)鎂合金中的氣體和雜質(zhì)難以排出，從而在錠坯中形成氣孔和夾雜等缺陷。當(dāng)磁場強度達到0.4T時，通過X射線探傷檢測發(fā)現(xiàn)，錠坯內(nèi)部出現(xiàn)了較多的微小氣孔，這些氣孔會降低錠坯的致密度，影響其力學(xué)性能和耐蝕性能。因此，通過實驗研究確定，對于Mg-3Al-xCa系合金錠坯的電磁鑄造，電磁場強度控制在0.15-0.25T之間較為合適，能夠在保證晶粒細化和組織均勻的同時，避免產(chǎn)生過多的缺陷。電磁場頻率也是影響錠坯質(zhì)量的重要參數(shù)之一。不同的頻率會對液態(tài)鎂合金的凝固過程產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)頻率較低時，電磁力的作用周期較長，對液態(tài)鎂合金的攪拌作用相對較弱，不利于晶粒的細化和組織的均勻化。例如，當(dāng)頻率為30Hz時，錠坯的組織中存在明顯的柱狀晶區(qū)，柱狀晶生長較為粗大，這是因為較低的頻率無法有效抑制柱狀晶的生長。隨著頻率的增加，電磁力的作用周期縮短，攪拌作用增強，能夠更好地細化晶粒和改善組織。當(dāng)頻率提高到100Hz時，柱狀晶區(qū)明顯減小，等軸晶區(qū)增多，晶粒尺寸更加均勻，此時錠坯的綜合性能得到提高。但是，頻率過高也可能帶來問題。過高的頻率會使電磁力的變化過于頻繁，可能導(dǎo)致液態(tài)鎂合金中的成分偏析加劇，影響錠坯的質(zhì)量。當(dāng)頻率達到200Hz時，通過電子探針分析發(fā)現(xiàn)，錠坯中合金元素的分布出現(xiàn)了明顯的偏析現(xiàn)象，這會降低錠坯的性能均勻性。綜合考慮，在Mg-3Al-xCa系合金錠坯的電磁鑄造中，電磁場頻率選擇80-120Hz為宜，能夠在優(yōu)化錠坯組織和性能的同時，避免出現(xiàn)成分偏析等問題。電磁場的施加方式也會對錠坯質(zhì)量產(chǎn)生影響。常見的施加方式有軸向施加和徑向施加。軸向施加方式是指電磁場的方向與拉坯方向平行，這種施加方式能夠在拉坯方向上對液態(tài)鎂合金產(chǎn)生較強的攪拌作用，有利于改善錠坯的縱向組織均勻性。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，采用軸向施加方式時，錠坯在拉坯方向上的硬度偏差較小，說明其組織均勻性較好。徑向施加方式是指電磁場的方向垂直于拉坯方向，它能夠在垂直于拉坯方向上對液態(tài)鎂合金進行攪拌，有助于細化晶粒和改善橫向組織性能。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，在相同的電磁參數(shù)下，徑向施加方式制備的錠坯，其橫向的拉伸強度和韌性略高于軸向施加方式制備的錠坯。在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)對錠坯性能的具體要求選擇合適的施加方式。如果對錠坯的縱向性能要求較高，可以優(yōu)先選擇軸向施加方式；如果更注重橫向性能，則可以采用徑向施加方式。也可以嘗試采用復(fù)合施加方式，即同時在軸向和徑向施加電磁場，綜合兩種施加方式的優(yōu)點，進一步優(yōu)化錠坯質(zhì)量。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合施加方式時，Mg-3Al-xCa系合金錠坯的綜合性能得到了進一步提升，晶粒細化效果更加明顯，組織均勻性更好，力學(xué)性能和耐蝕性能都有較大提高。2.5分析測試方法2.5.1金相組織觀察金相試樣的制備是金相組織觀察的關(guān)鍵步驟，需遵循嚴格的操作流程以確保觀察結(jié)果的準確性和可靠性。首先，從合金鑄錠和擠壓態(tài)樣品上截取尺寸適宜的試樣，通常為邊長約10mm的方形或直徑10mm的圓形。截取時，使用線切割設(shè)備，以保證切割面平整且避免對試樣組織造成過度損傷。切割后的試樣在砂輪機上進行粗磨，依次使用80目、120目、240目、400目、600目、800目和1000目的砂紙，按照從粗到細的順序進行打磨。粗磨過程中，需不斷加水冷卻，防止試樣因摩擦生熱導(dǎo)致組織變化。粗磨完成后，將試樣置于金相預(yù)磨機上進行細磨，使用粒度更細的金剛石研磨膏，進一步減小試樣表面的磨痕，提高表面光潔度。細磨結(jié)束后，對試樣進行拋光處理，采用機械拋光的方式，在拋光機上使用拋光布和拋光液，使試樣表面達到鏡面效果。為了清晰地顯示合金的組織，對拋光后的試樣進行腐蝕處理。對于Mg-3Al-xCa系合金，常用的腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。將試樣浸入腐蝕劑中，時間控制在10-30秒，具體時間根據(jù)合金成分和組織狀態(tài)進行調(diào)整。腐蝕后的試樣立即用清水沖洗，然后用無水酒精沖洗并吹干。利用光學(xué)顯微鏡對制備好的金相試樣進行組織觀察。光學(xué)顯微鏡的工作原理基于光的折射和成像原理，通過物鏡和目鏡的組合，將試樣表面的微觀組織放大并成像在目鏡中。在觀察過程中，首先選擇合適的放大倍數(shù)，對于觀察合金的晶粒尺寸和形態(tài)，通常選擇500倍或1000倍的放大倍數(shù)。調(diào)整顯微鏡的焦距和亮度，使圖像清晰可見。使用顯微鏡自帶的圖像采集系統(tǒng)，拍攝金相組織照片，以便后續(xù)分析。通過金相組織觀察，可以獲取合金的晶粒尺寸、形態(tài)和分布信息。利用圖像分析軟件，如Image-ProPlus，對金相照片中的晶粒進行測量和統(tǒng)計，計算平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布。還可以觀察第二相的形態(tài)、大小和分布情況，為分析合金的組織與性能關(guān)系提供重要依據(jù)。2.5.2X射線衍射分析（XRD）XRD分析是確定合金物相組成和晶體結(jié)構(gòu)的重要手段，其原理基于X射線與晶體物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束X射線照射到晶體上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射，散射波在某些特定方向上會發(fā)生干涉加強，形成衍射峰。根據(jù)衍射峰的位置和強度，可以確定晶體的結(jié)構(gòu)和組成。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的衍射峰位置和強度特征，就像每個人的指紋一樣獨一無二，通過與標準衍射圖譜進行對比，就可以準確地識別出合金中存在的物相。為了進行XRD分析，需要對合金樣品進行適當(dāng)?shù)闹苽?。從合金鑄錠或加工態(tài)樣品上切取尺寸約為10mm×10mm×2mm的小塊，將其表面用砂紙打磨平整，去除氧化層和雜質(zhì)，以確保X射線能夠準確地照射到樣品內(nèi)部。將制備好的樣品固定在樣品臺上，放入XRD分析儀中。測試條件的選擇對分析結(jié)果的準確性至關(guān)重要。使用Cu靶作為X射線源，其產(chǎn)生的X射線波長為0.15406nm，這是因為Cu靶的X射線具有合適的波長，能夠與大多數(shù)晶體物質(zhì)產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象。管電壓設(shè)置為40kV，管電流設(shè)置為40mA，在這個電壓和電流條件下，X射線源能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生足夠強度的X射線，保證測試結(jié)果的準確性。掃描范圍設(shè)定為20°-80°，掃描速度為5°/min。掃描范圍的選擇能夠覆蓋常見物相的衍射峰，掃描速度的設(shè)置則保證了在合理的時間內(nèi)獲取完整且準確的衍射圖譜。在測試過程中，X射線照射到樣品上，探測器會收集衍射信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再通過計算機處理，得到XRD圖譜。圖譜中橫坐標表示衍射角（2θ），縱坐標表示衍射強度。根據(jù)XRD圖譜，可以利用相關(guān)軟件，如MDIJade，進行物相分析。通過與標準PDF卡片（粉末衍射標準聯(lián)合委員會數(shù)據(jù)庫）進行比對，確定合金中存在的物相種類和含量。通過分析衍射峰的位置和強度變化，還可以了解晶體結(jié)構(gòu)的變化，如晶格常數(shù)的改變、晶體取向的變化等。這些信息對于深入理解合金的性能和加工過程中的組織結(jié)構(gòu)演變具有重要意義。2.5.3掃描電鏡及能譜分析（SEM-EDS）掃描電鏡（SEM）通過電子束與樣品表面的相互作用來觀察合金的微觀形貌。當(dāng)高能電子束照射到樣品表面時，會激發(fā)出多種信號，其中二次電子信號對樣品表面的形貌非常敏感。二次電子是由樣品表面被入射電子激發(fā)出來的外層電子，其產(chǎn)額與樣品表面的形貌、成分和原子序數(shù)等因素有關(guān)。在觀察過程中，電子束在樣品表面逐點掃描，探測器收集二次電子信號，并將其轉(zhuǎn)化為圖像信號，最終在顯示屏上形成樣品表面的微觀形貌圖像。由于二次電子的產(chǎn)額與樣品表面的起伏有關(guān)，因此SEM圖像能夠清晰地展現(xiàn)出樣品表面的細節(jié)，如晶粒的邊界、第二相的形態(tài)和分布等。能譜分析儀（EDS）則是基于電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的特征X射線來分析微區(qū)成分。當(dāng)電子束照射到樣品上時，樣品中的原子內(nèi)層電子被激發(fā)，外層電子躍遷到內(nèi)層填補空位，同時釋放出具有特定能量的特征X射線。不同元素的原子具有不同的電子結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)生的特征X射線能量也不同。EDS通過測量特征X射線的能量和強度，來確定樣品微區(qū)內(nèi)存在的元素種類和相對含量。在實際操作中，首先將合金樣品固定在SEM的樣品臺上，確保樣品表面平整且與電子束垂直。對樣品進行噴金處理，以提高樣品的導(dǎo)電性，避免在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響圖像質(zhì)量和分析結(jié)果。在SEM中選擇合適的放大倍數(shù)和工作距離，對樣品進行觀察，確定需要分析的微區(qū)位置。切換到EDS模式，將電子束聚焦在選定的微區(qū)上，采集特征X射線信號。經(jīng)過一段時間的采集，EDS軟件會對采集到的信號進行處理和分析，給出微區(qū)內(nèi)的元素組成和相對含量。通過SEM-EDS分析，可以深入研究合金中第二相的形態(tài)、分布和成分。觀察第二相的形狀、大小和在基體中的分布情況，分析第二相的成分，確定其化學(xué)組成和元素比例。將第二相的成分與合金的整體成分進行對比，研究第二相的形成機制和對合金性能的影響。例如，通過分析第二相中的Ca含量以及其他元素的配比，可以了解Ca元素在第二相中的作用，以及第二相的形成與合金性能之間的關(guān)系。2.5.4硬度測試采用布氏硬度計對Mg-3Al-xCa系合金進行硬度測試。布氏硬度測試原理是用一定直徑的硬質(zhì)合金壓頭，在規(guī)定的試驗力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑，根據(jù)壓痕直徑和試驗力計算出布氏硬度值。在測試時，選用直徑為5mm的硬質(zhì)合金壓頭，試驗力為250kgf，加載時間為10-15秒。對于每個合金樣品，在不同位置測量5次，取平均值作為該樣品的布氏硬度值。通過測量不同Ca含量合金的布氏硬度，可以研究Ca元素對合金硬度的影響規(guī)律。如果隨著Ca含量的增加，合金的布氏硬度逐漸增大，說明Ca元素的添加提高了合金的硬度，這可能是由于Ca元素細化了晶?；蛐纬闪擞泊嗟牡诙?，增加了位錯運動的阻力。使用洛氏硬度計對合金進行洛氏硬度測試。洛氏硬度測試是采用金剛石圓錐或鋼球壓頭，在初始試驗力和主試驗力的先后作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除主試驗力，根據(jù)壓頭在主試驗力作用下的壓入深度增量來計算洛氏硬度值。對于Mg-3Al-xCa系合金，選擇HRA標尺進行測試，初始試驗力為98.07N，主試驗力為490.3N，加載時間為5-8秒。同樣，在每個樣品的不同位置測量5次，取平均值。對比布氏硬度和洛氏硬度測試結(jié)果，可以更全面地了解合金的硬度特性。不同的硬度測試方法可能會因為壓頭形狀、試驗力大小和加載方式等因素的不同，而得到略有差異的硬度值。綜合分析這些結(jié)果，可以更準確地評估Ca元素對合金硬度的影響，以及合金硬度與其他性能之間的關(guān)系。2.5.5力學(xué)性能測試室溫拉伸試驗用于測定合金在室溫下的抗拉強度、屈服強度和延伸率等力學(xué)性能指標。根據(jù)國家標準GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》制備拉伸試樣。將合金鑄錠加工成標準的圓形拉伸試樣，標距長度為50mm，直徑為5mm。在拉伸試驗前，使用量具精確測量試樣的標距長度和直徑，并記錄數(shù)據(jù)。將試樣安裝在電子萬能材料試驗機上，確保試樣的軸線與試驗機的加載軸線重合。設(shè)置試驗參數(shù)，拉伸速度為2mm/min。在試驗過程中，試驗機對試樣施加軸向拉力，隨著拉力的逐漸增加，試樣發(fā)生彈性變形、塑性變形，最終斷裂。試驗機自動記錄試驗過程中的力-位移曲線，通過對曲線的分析，可以計算出合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率?？估瓘姸仁窃嚇訑嗔亚八艹惺艿淖畲罄εc試樣原始橫截面積之比；屈服強度根據(jù)規(guī)定的屈服強度定義（如0.2%殘余伸長應(yīng)力），在力-位移曲線上確定相應(yīng)的力值，再計算得到；延伸率則是試樣斷裂后標距長度的伸長量與原始標距長度之比。高溫拉伸試驗用于研究合金在高溫下的力學(xué)性能。根據(jù)國家標準GB/T4338-2015《金屬材料高溫拉伸試驗方法》制備高溫拉伸試樣，其尺寸和形狀與室溫拉伸試樣相似。將試樣安裝在高溫拉伸試驗機上，使用電阻爐對試樣進行加熱，升溫速率控制在5-10℃/min，達到設(shè)定的試驗溫度（如150℃、200℃、250℃等）后，保溫10-15分鐘，使試樣溫度均勻。設(shè)置拉伸速度為1mm/min，進行高溫拉伸試驗。試驗過程中，同樣記錄力-位移曲線，通過分析曲線得到合金在高溫下的抗拉強度、屈服強度和延伸率等性能指標。對比不同溫度下的拉伸性能數(shù)據(jù)，可以研究合金的高溫力學(xué)性能變化規(guī)律。隨著溫度的升高，合金的抗拉強度和屈服強度可能會逐漸降低，延伸率可能會發(fā)生變化。這是因為在高溫下，原子的熱運動加劇，晶界和位錯的活動能力增強，導(dǎo)致合金的強度和塑性發(fā)生改變。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可以評估合金在高溫環(huán)境下的使用性能，為其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。在數(shù)據(jù)處理方面，對每個溫度下的拉伸試驗結(jié)果進行多次測量，取平均值，并計算標準偏差，以評估數(shù)據(jù)的可靠性和分散性。使用圖表（如柱狀圖、折線圖等）直觀地展示合金在不同溫度下的力學(xué)性能變化趨勢，便于分析和比較。三、Mg-3Al-xCa系合金的組織與性能研究3.1Ca對鑄態(tài)Mg-3Al系合金組織的影響3.1.1第二相的種類與分布通過XRD分析技術(shù)，對不同Ca含量的鑄態(tài)Mg-3Al系合金進行了全面的物相檢測。在未添加Ca元素的Mg-3Al合金中，XRD圖譜清晰地顯示出合金主要由α-Mg基體和β-Mg_{17}Al_{12}相組成。β-Mg_{17}Al_{12}相的衍射峰在圖譜中具有明顯的特征位置，其晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，空間群為Fd-3m，這種相在Mg-Al系合金中是常見的強化相。當(dāng)向合金中添加0.5%的Ca時，XRD圖譜中除了α-Mg基體和β-Mg_{17}Al_{12}相的衍射峰外，開始出現(xiàn)微弱的Mg_2Ca相的衍射峰。Mg_2Ca相具有C14型Laves相結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，其晶格常數(shù)a和c具有特定的值。這表明Ca元素已經(jīng)開始與Mg發(fā)生反應(yīng)，形成了新的化合物相。隨著Ca含量增加到1.0%，Mg_2Ca相的衍射峰強度明顯增強，說明Mg_2Ca相的含量逐漸增多。同時，在圖譜中還觀察到了少量(Mg,Al)_2Ca相的衍射峰，(Mg,Al)_2Ca相同樣具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，它是Ca與Mg、Al共同形成的化合物。當(dāng)Ca含量進一步提高到1.5%和2.0%時，Mg_2Ca相和(Mg,Al)_2Ca相的衍射峰強度持續(xù)增強，且在高Ca含量下，可能還會出現(xiàn)其他微量的含Ca化合物相，但由于含量較少，在XRD圖譜中的特征并不十分明顯。為了更直觀地觀察第二相的分布情況，采用了SEM-EDS分析手段。在未添加Ca的Mg-3Al合金中，SEM圖像顯示β-Mg_{17}Al_{12}相主要以連續(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀分布在α-Mg基體的晶界處。通過EDS分析，確定了網(wǎng)絡(luò)狀相的成分主要為Mg和Al，其原子比接近17:12，與β-Mg_{17}Al_{12}相的化學(xué)組成相符。當(dāng)添加0.5%的Ca后，在SEM圖像中可以觀察到除了β-Mg_{17}Al_{12}相外，開始出現(xiàn)一些細小的顆粒狀第二相，這些顆粒狀相均勻地分布在晶界和晶內(nèi)。EDS分析表明，這些顆粒狀相富含Ca元素，主要為Mg_2Ca相。隨著Ca含量的增加，顆粒狀的Mg_2Ca相和(Mg,Al)_2Ca相數(shù)量逐漸增多，尺寸也有所增大。在Ca含量為1.5%的合金中，Mg_2Ca相和(Mg,Al)_2Ca相在晶界處聚集長大，形成了較為粗大的顆粒，且在晶界處的分布更加密集，對晶界起到了明顯的強化作用。而在晶內(nèi)，這些第二相仍以細小顆粒狀彌散分布，阻礙了位錯的運動，提高了合金的強度。3.1.2晶粒尺寸與形態(tài)利用金相顯微鏡對不同Ca含量的鑄態(tài)Mg-3Al系合金的晶粒尺寸和形態(tài)進行了細致觀察。在未添加Ca元素的Mg-3Al合金中，金相組織呈現(xiàn)出典型的鑄態(tài)晶粒特征，晶粒尺寸較大，平均晶粒直徑約為80μm。晶粒形態(tài)多為等軸晶，但部分晶粒之間的邊界較為模糊，呈現(xiàn)出一定的方向性生長趨勢，這是由于在鑄造過程中，液態(tài)合金的凝固方向和溫度梯度等因素影響了晶粒的生長。當(dāng)向合金中添加0.5%的Ca時，金相組織發(fā)生了明顯變化?？梢杂^察到晶粒尺寸有了顯著的細化，平均晶粒直徑減小到約50μm。晶粒形態(tài)變得更加規(guī)則，等軸晶的特征更加明顯，晶粒邊界清晰且均勻分布。這是因為Ca元素在合金凝固過程中，會在晶界處偏聚，阻礙晶粒的長大。Ca原子與Mg原子半徑的差異會在晶界處形成晶格畸變，增加了晶界的能量，使得晶界遷移變得困難，從而抑制了晶粒的生長，達到細化晶粒的效果。隨著Ca含量進一步增加到1.0%，晶粒細化效果更加顯著，平均晶粒直徑減小到約35μm。此時，晶粒形態(tài)更加均勻，等軸晶的比例進一步提高，幾乎看不到明顯的方向性生長的晶粒。當(dāng)Ca含量達到1.5%時，晶粒尺寸繼續(xù)減小，平均晶粒直徑約為25μm。但當(dāng)Ca含量增加到2.0%時，晶粒尺寸的減小趨勢變緩，平均晶粒直徑約為22μm，且部分晶粒出現(xiàn)了團聚和異常長大的現(xiàn)象。這可能是由于過高的Ca含量導(dǎo)致合金中第二相的數(shù)量過多，這些第二相在晶界處聚集，反而為晶粒的生長提供了一定的條件，使得部分晶粒能夠突破Ca元素的阻礙而長大。為了更準確地分析晶粒尺寸的變化，利用Image-ProPlus軟件對金相照片中的晶粒進行了統(tǒng)計分析。通過測量大量晶粒的尺寸，并繪制晶粒尺寸分布圖，可以清晰地看到隨著Ca含量的增加，晶粒尺寸分布逐漸向小尺寸方向移動，且分布范圍逐漸變窄，說明晶粒尺寸更加均勻。當(dāng)Ca含量為0.5%時，晶粒尺寸分布在30-70μm之間；當(dāng)Ca含量增加到1.5%時，晶粒尺寸主要分布在15-35μm之間。這種晶粒細化和均勻化的現(xiàn)象對合金的性能有著重要影響，細晶粒組織能夠增加晶界面積，晶界作為位錯運動的障礙，使得合金在受力時需要消耗更多的能量來促使位錯滑移，從而提高了合金的強度和韌性。3.2Ca對鑄態(tài)Mg-3Al系合金性能的影響3.2.1硬度采用布氏硬度計對不同Ca含量的鑄態(tài)Mg-3Al系合金進行了硬度測試，測試結(jié)果清晰地揭示了Ca含量與合金硬度之間的內(nèi)在聯(lián)系。未添加Ca元素的Mg-3Al合金，其布氏硬度值約為65HBW。當(dāng)Ca含量增加到0.5%時，合金的布氏硬度顯著提升至75HBW左右，增幅約為15.4%。這主要是由于Ca元素的加入細化了合金晶粒，細晶強化作用使得位錯運動受到更多晶界的阻礙，從而增加了合金的硬度。同時，Ca元素與Mg、Al形成的Mg_2Ca、(Mg,Al)_2Ca等第二相，這些第二相硬度較高，彌散分布在基體中，也起到了強化作用，進一步提高了合金的硬度。隨著Ca含量進一步增加到1.0%，合金的布氏硬度繼續(xù)上升至85HBW左右，較添加0.5%Ca時又提高了約13.3%。此時，晶粒細化效果更加明顯，第二相的數(shù)量和尺寸也有所增加，細晶強化和第二相強化的協(xié)同作用使得合金硬度持續(xù)提高。當(dāng)Ca含量達到1.5%時，布氏硬度達到95HBW左右，比未添加Ca時提高了約46.2%。然而，當(dāng)Ca含量繼續(xù)增加到2.0%時，布氏硬度的增長趨勢變緩，僅略有增加至98HBW左右。這是因為過高的Ca含量導(dǎo)致第二相過度聚集長大，在晶界處形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，雖然第二相強化作用增強，但這種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致合金的脆性增加，部分抵消了因第二相強化帶來的硬度提升效果，使得硬度增長不明顯。為了更直觀地展示Ca含量對合金硬度的影響，繪制了布氏硬度與Ca含量的關(guān)系曲線，從曲線中可以清晰地看出隨著Ca含量的增加，合金布氏硬度呈現(xiàn)先快速上升后趨于平緩的變化趨勢。這種硬度變化與合金組織變化密切相關(guān)，在Ca含量較低時，細晶強化和第二相強化作用顯著，合金硬度快速提高；隨著Ca含量增加，第二相聚集長大，對合金性能產(chǎn)生了復(fù)雜影響，導(dǎo)致硬度增長趨勢變緩。通過硬度測試結(jié)果和組織分析可知，適量添加Ca元素能夠有效提高鑄態(tài)Mg-3Al系合金的硬度，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)對合金硬度的具體需求，合理控制Ca元素的添加量。3.2.2室溫力學(xué)性能通過室溫拉伸試驗，深入探究了不同Ca含量對鑄態(tài)Mg-3Al系合金室溫強度和塑性的影響。未添加Ca元素的Mg-3Al合金，其室溫下的抗拉強度為180MPa，屈服強度為100MPa，延伸率為8%。當(dāng)Ca含量增加到0.5%時，合金的抗拉強度提升至200MPa，屈服強度提高到120MPa，延伸率保持在7%左右。Ca元素的加入細化了晶粒，細晶強化作用使合金的強度得到提高。細化的晶粒增加了晶界面積，晶界阻礙位錯運動，使得合金在受力時需要更大的外力才能使位錯滑移，從而提高了強度。Ca元素形成的第二相也起到了強化作用，進一步增強了合金的強度。隨著Ca含量增加到1.0%，抗拉強度進一步提高到220MPa，屈服強度達到135MPa，延伸率略有下降至6%。此時，晶粒細化效果更加顯著，第二相的數(shù)量和尺寸進一步增加，細晶強化和第二相強化的協(xié)同作用使得強度提升更為明顯。然而，隨著Ca含量繼續(xù)增加，合金的塑性開始受到影響。當(dāng)Ca含量達到1.5%時，抗拉強度為230MPa，屈服強度為145MPa，但延伸率下降到5%。這是因為過多的第二相在晶界處聚集長大，形成連續(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)在受力時容易成為裂紋源，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴展，從而降低了合金的塑性。當(dāng)Ca含量增加到2.0%時，抗拉強度略有下降至225MPa，屈服強度為140MPa，延伸率進一步下降到4%。過高的Ca含量使得第二相過度聚集，不僅降低了合金的塑性，還在一定程度上削弱了合金的強度。為了更清晰地展示Ca含量對合金室溫力學(xué)性能的影響，繪制了抗拉強度、屈服強度和延伸率與Ca含量的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出，隨著Ca含量的增加，抗拉強度和屈服強度呈現(xiàn)先上升后略有下降的趨勢，而延伸率則逐漸下降。這表明在Mg-3Al系合金中添加Ca元素時，需要綜合考慮強度和塑性的平衡。適量的Ca元素添加能夠顯著提高合金的強度，但過高的Ca含量會導(dǎo)致塑性大幅下降。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的使用要求，選擇合適的Ca含量，以獲得滿足性能需求的合金。例如，在對強度要求較高且對塑性要求相對較低的場合，可以適當(dāng)提高Ca含量；而在對塑性要求較高的情況下，則需要控制Ca含量，以保證合金具有良好的塑性。3.3均勻化退火對Mg-3Al-xCa系合金組織與性能的影響3.3.1均勻化退火工藝參數(shù)優(yōu)化為了探究均勻化退火工藝參數(shù)對Mg-3Al-xCa系合金組織均勻性的影響，開展了一系列對比實驗。選取Mg-3Al-1.5Ca合金作為研究對象，分別設(shè)置不同的退火溫度（400℃、420℃、440℃）和退火時間（4h、8h、12h）。在400℃退火溫度下，隨著退火時間從4h延長至8h，通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，合金中第二相的溶解程度有所增加，原本聚集在晶界的粗大第二相顆粒逐漸變小，分布也更加均勻。但當(dāng)退火時間延長至12h時，雖然第二相進一步溶解，但晶粒開始出現(xiàn)明顯的長大現(xiàn)象，平均晶粒尺寸從8h時的20μm增大到了25μm。這是因為在較高溫度下長時間退火，原子的擴散能力增強，晶界遷移速度加快，導(dǎo)致晶粒長大。當(dāng)退火溫度提高到420℃時，4h退火后第二相的溶解速度明顯加快，分布更加均勻，但此時也伴隨著一定程度的晶粒長大。隨著退火時間延長到8h，第二相基本均勻分布在基體中，晶粒尺寸進一步增大到23μm。當(dāng)退火時間為12h時，晶粒長大較為明顯，平均晶粒尺寸達到30μm，且部分晶粒出現(xiàn)異常長大現(xiàn)象。在440℃退火溫度下，4h退火后第二相迅速溶解，但晶粒長大十分顯著，平均晶粒尺寸達到28μm。隨著退火時間的延長，晶粒繼續(xù)長大，12h時平均晶粒尺寸達到35μm，且合金組織中出現(xiàn)了較多的孿晶和亞晶界，這是由于高溫下晶粒的快速長大導(dǎo)致晶格畸變增加，從而引發(fā)孿晶和亞晶界的產(chǎn)生。綜合考慮第二相的溶解程度和晶粒長大情況，對于Mg-3Al-1.5Ca合金，最佳均勻化退火工藝參數(shù)為420℃退火8h。在此參數(shù)下，合金中的第二相能夠充分溶解并均勻分布在基體中，同時晶粒長大得到有效控制，能夠獲得較為理想的均勻組織。為了驗證這一結(jié)論，對經(jīng)過420℃退火8h處理的Mg-3Al-1.5Ca合金進行了SEM-EDS分析，結(jié)果顯示第二相均勻地彌散分布在α-Mg基體中，且成分均勻性良好。對不同工藝參數(shù)處理后的合金進行硬度測試，420℃退火8h處理的合金硬度均勻性最佳，進一步證明了該工藝參數(shù)能夠有效提高合金的組織均勻性。3.3.2均勻化退火后合金的組織與性能變化經(jīng)過420℃退火8h均勻化退火處理后，Mg-3Al-xCa系合金的組織發(fā)生了顯著變化。通過XRD分析可知，合金中第二相的種類并未發(fā)生改變，但第二相的相對含量有所減少。這是因為在均勻化退火過程中，部分第二相溶解到α-Mg基體中，使得第二相的數(shù)量減少。在鑄態(tài)Mg-3Al-1.5Ca合金中，β-Mg_{