gw103k稀土镁合金熔体复合处理行为研究

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1、上海交通大学硕士学位论文GW103K稀土镁合金熔体复合处理行为研究硕士研究生：梅俊学号：1120509014导师：蒋海燕指导老师：吴国华刘文才申请学位：工学硕士学科：材料科学与工程所在单位：材料科学与工程学院授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterRESEARCHONCOMPLEXMELT-REFININGBEHAVIOROFGW103KMAGNESIUMALLOYCandidate：JunMeiStu

2、dentID:1120509014Supervisor：HaiyanJiangAssistantSupervisor:GuohuaWu,WencaiLiuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDegree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUnivers

3、ity上海交通大学硕士学位论文GW103K稀土镁合金熔体复合处理行为研究摘要稀土能显著提高传统镁合金的强度、耐热性能以及抗腐蚀性能，这使得稀土镁合金在军工以及航空航天领域受到越来越多的关注。然而由于镁及稀土元素均具有很活泼的化学性质，此类合金在熔炼过程中极易氧化并引入大量夹杂。该类含稀土镁合金的熔体处理已经成为制约其推广应用的关键瓶颈之一，原因在于现有的熔剂净化工艺为了达到理想的除杂效果，熔剂的加入量一般为熔体质量的2%~3%，环境污染严重，同时增加了引入熔剂夹杂的机会，并会导致昂贵稀土元素的损耗。近年来，旋转喷吹气体净化作

4、为一种非熔剂净化工艺因具有除气能力，同时还有一定绿色除杂能力而倍受关注，但目前尚未有在稀土镁合金净化中的应用报道。因此开展适合稀土镁合金的高效复合净化工艺研究，对于提高稀土镁合金的性能，提高传统熔剂净化效率，降低成本，节约资源，改善熔炼环境等都具有重大意义。本文基于前人研究结果提出稀土镁合金熔体复合处理技术原型，研制出适合稀土镁合金熔体复合处理的专用装置。采用Mg–10Gd–3Y–0.5Zr合金为研究对象，优化了旋转喷吹气体熔体处理的工艺参数，然后基于最佳旋转喷吹工艺，讨论熔剂净化结合旋转喷吹气体的复合净化工艺对Mg–10G

5、d–3Y–0.5Zr合金熔体净化效率、力学性能和断裂行为的影响，初步探索了复合处理与Zr元素收得率的关系，通过动力学模型阐明了熔体复合处理高效除杂机理。优化出最优旋转喷吹工艺组合为：吹气流量2L/min；吹气时长10min；转子转速为150r/min。在此工艺参数组合下，GW103K合金中的非金属夹杂物体积分数从未净化时的0.47%减少到0.32%，室温下，合金抗拉强度和延伸率从244.9MPa,0.7%分别提升至296.6MPa，1.4%。其对熔体的净化作用，主要集中在熔体中小尺寸夹杂物的去除方面，小型夹杂物能够被气泡润湿

6、并上浮至熔体表面形成分散的浮渣。旋转喷吹气体处理中，增大吹气流量会导致剧烈的熔体翻滚，带来氧化加剧以及重新卷入夹杂；一定时长的吹气过程，可以持续不断地产生细小弥散的气泡，维持与夹杂物的相互作用，但是过长时间的吹气处理会降低合金的力学性能；高转子转速下，I上海交通大学硕士学位论文熔体中的夹杂物颗粒和氩气泡在强烈剪切力作用下更加细小，提高了夹杂物被气泡润湿的机会，相应地，产生了高的非金属夹杂物去除能力。开发出JDMJ熔剂复合旋转喷吹的熔体复合处理工艺。当JDMJ添加量为1%时，Mg–10Gd–3Y–0.5Zr合金中的夹杂物体积分

7、数从未加工合金的0.47%减少到0.15%。相应地，其抗拉强度和延伸率分别从244.9Mpa，0.7%上升到312.3Mpa，4.0%。净化效果甚至优于传统的2%JDMJ熔剂净化。一方面，节约了熔剂使用量，使熔剂的净化效率提升1倍，并一定程度上缓和了传统熔剂对贵稀土元素的损耗，另一方面降低了环境污染，符合可持续战略。阐明了复合处理的高效除杂机制：一方面得益于旋转喷吹对微小夹杂的去除能力，另一方面得益于夹杂物向熔剂运动过程中克服流体阻滞时高的迁移速度。复合处理对Mg–10Gd–3Y–0.5Zr合金组织及相组成没有影响；相对于原

8、始合金，复合处理后合金室温断裂模式从局部解理断裂向局部准解理断裂转变；复合处理一定程度上提高了Zr的收得率。在实验室制备工艺基础上，通过优化熔炼复合处理工艺参数，成功采用GW103K镁合金浇铸出某导弹舱体，为GW103K合金的工业应用奠定了一定的基础。关键词：稀土镁合金，净化，非金属夹杂，