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镁科研

上海交大吴国华教授团队《JMST》镁稀土合金熔体复合处理机制取得重要研究进展！

发布时间：2023-09-11 作者：综合管理部

近日，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心吴国华教授团队与上海理工大学的孙明博士合作在镁稀土合金熔体复合处理方面取得了重要研究进展，研究成果以“Realizing the purification and grain refinement of Mg-Gd-Y alloy by one-step flux refining”为题，发表在金属材料学术期刊《Journal of Materials Science & Technology》上（原文链接为https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223006655）。童鑫博士为该论文的第一作者，吴国华教授和张亮副研究员为该论文的共同通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金的资助。 

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镁稀土合金密度低、比强度比刚度高、耐热性能好，在航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。然而，镁稀土合金化学活性强，在熔铸过程中易形成氧化夹杂；同时，航空航天大型复杂镁稀土合金构件通常采用砂型铸造工艺成型，砂型铸造冷却速度缓慢、铸件晶粒粗大，导致力学性能下降。因此，必须对镁稀土合金熔体进行有效的细化和净化处理。
在目前的实际生产中，主要采用Mg-Zr中间合金作为镁稀土合金的细化剂，并通过熔剂精炼的方法进行熔体处理。但是，采用现有方法制备高品质镁稀土合金熔体仍然非常困难，原因在于：（1）商用Mg-Zr中间合金中Zr颗粒粗大、团聚严重，Zr易沉降损耗，降低了晶粒细化效果；（2）镁稀土合金的细化和净化处理工艺温度不同，熔体制备需要反复升降温，加剧了熔体的氧化吸气，除降低熔体质量外，还增加了工序时间与能耗。因此，亟需针对镁稀土合金熔体Zr细化与熔剂净化展开研究，提高镁稀土合金熔体的制备质量。

针对上述问题，吴国华教授团队基于细化净化一体化复合处理的熔体短流程制备思路，创新地选用含Zr熔盐ZrCl4作为含Zr细化介质，与上海交大自主研发的JDMJ精炼剂进行复合，率先开发了一种适合于Mg-Gd-Y合金的细化净化复合熔剂。试验结果表明，采用复合熔剂能够在740℃下一步实现熔体的细化和净化处理，Mg-9Gd-3Y合金的晶粒尺寸和夹杂物含量从精炼前的746 μm和1.54%分别降低到119 μm和0.29%，熔体处理效果良好。
该研究还通过热力学计算和显微组织观察，揭示了复合熔剂与Mg-Gd-Y熔体的反应过程，并探明了净化介质与细化介质的交互作用。研究发现，复合熔剂与熔体原位生成的Zr颗粒尺寸细小、分布均匀，其中小于3 μm的Zr颗粒占比高达95%，有效改善了合金晶粒细化效果。同时，复合处理的反应副产物RECl3能有效提高熔剂与夹杂之间的润湿性，加速熔剂对夹杂的吸附。对坩埚底料进行显微CT分析表明，原位生成的Zr粒易被卷入精炼剂中并形成一种具有双层结构的复合粒子，研究团队基于Stocks沉降规律，进一步构建了该复合粒子沉降的数学模型，并探明了复合粒子的沉降行为对熔体制备质量的影响。该研究率先揭示了镁稀土合金熔体处理过程中细化介质与净化介质之间的交互作用，并为高品质镁稀土合金熔体短流程制备提供了新的思路和见解。
近年来，在丁文江院士的大力支持下，吴国华教授团队一直深耕于高性能镁稀土合金材料开发、制备、成形等方面的研究，并取得了一系列原创性研究成果，为推动镁稀土合金的应用做出了重要贡献。

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图1 不同复合熔剂处理后的Mg-Gd-Y合金的细化效果及相关细化机制
         
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图2静置时间对Mg-Gd-Y合金复合处理效果及溶质Zr/颗粒Zr比例的影响

         

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图3 复合精炼后的坩埚底料以及Zr粒与精炼剂相互作用所形成的复合粒子

         

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图4 不同复合熔剂与Mg-Gd-Y合金的反应过程示意图

         

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图5熔体处理过程中所形成的细化介质-净化介质复合粒子的沉降规律

          

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