Professor Yang Xiangjie, da Universidade de Nanchang: um novo método para a preparação de pasta semissólida de liga de magnésio AZ91D

Yang Xiangjie, professor, supervisor de doutorado, membro do conselho editorial da revista "Fundição Especial e Ligas Não Ferrosas", vice-presidente do Colégio da Juventude Comunista da Universidade de Nanchang. Membro do Comitê Acadêmico de Ligas e Compósitos da Conferência Acadêmica de Usinagem Semissólida Internacional, membro do Comitê Diretor do Curso Básico de Mecânica do Ministério da Educação, presidente do Comitê Acadêmico Nacional de Processamento de Materiais Semissólidos e diretor do Laboratório Provincial Chave de Formação de Precisão de Alto Desempenho de Jiangxi. Beneficiário de subsídios governamentais especiais, talentos excepcionais de Jiangxi Ganpo; talentos de engenharia, líderes acadêmicos de faculdades e universidades provinciais e presidente da Jiangxi Foundry Society.

Principalmente envolvida na pesquisa e desenvolvimento de alumínio, magnésio, cobre, ligas de titânio e tecnologia e equipamentos de processamento semissólidos. Presidiu 7 projetos de nível nacional e mais de 20 projetos de nível provincial e ministerial, publicou mais de 130 artigos acadêmicos acima de periódicos principais (incluindo mais de 50 artigos incluídos em SCI/EI) e ganhou 1 segundo prêmio do Prêmio Provincial de Invenção Tecnológica de Jiangxi, Jiangxi 1 terceiro prêmio do Prêmio Provincial de Ciências Naturais.

Laboratório Provincial Chave de Formação de Precisão de Alto Desempenho de Jiangxi", o laboratório tem um total de 12 projetos de pesquisa, incluindo 3 projetos de nível nacional e 2 projetos de nível provincial e ministerial. O financiamento total da pesquisa científica é de 5,93 milhões de yuans. O investimento total é de 8,23 milhões de yuans. Em cooperação com a Indústria de Alumínio Jiangxi Xiongying, a área do espaço de pesquisa científica é de mais de 2.000 metros quadrados; mais de 30 conjuntos (conjuntos) de instrumentos e equipamentos valem mais de 2,4 milhões de yuans. De 2014 a 2016, foram aprovadas 16 patentes (incluindo invenções). 12 patentes e 4 patentes de modelo de utilidade).

Direção de pesquisa:

Direção 1: Solidificação de alto desempenho e formação precisa. (1) Tecnologia de preparação e teoria de pasta semissólida de alta qualidade; (2) Desenvolvimento e projeto de otimização de ligas especiais para deformação reológica; (3) Moldes especiais, normas técnicas e equipamentos para deformação reológica; etc. Direção 2: Desenvolvimento de ligas leves de alto desempenho. (1) Ligas de alumínio de alta resistência e alta tenacidade; (2) Ligas de magnésio de alto desempenho; (3) Ligas amorfas de alto desempenho; Direção 3: Teoria e Simulação de Projeto Mecânico, etc.

As ligas de magnésio têm características de resistência específica, alta altura específica e excelente usinabilidade, e são amplamente utilizadas na indústria aeroespacial, automobilística, eletrônica, informática e outras áreas. Com a ampliação de sua faixa de aplicação, os requisitos para diversas propriedades das ligas de magnésio também estão ficando cada vez maiores. A liga de magnésio AZ91D é uma das ligas de magnésio fundido mais utilizadas, mas sua estrutura é grosseira e a fase β-Mg17Al12 é distribuída no limite do grão. alto, limitando bastante sua aplicação. A tecnologia de conformação semissólida pode reduzir defeitos de fundição e sua estrutura não dendrítica pode otimizar suas propriedades, sendo reconhecida como um dos métodos mais eficazes para o processamento de ligas leves. O processo de agitação por resfriamento interno uniforme é um processo simples para obter pasta semissólida não dendrítica, que se baseia no princípio do equilíbrio térmico e não requer controle rápido da temperatura e do campo de temperatura da solução de liga para homogeneizar. Através do processo de agitação por resfriamento interno uniforme, pode-se obter uma pasta semissólida com partículas esféricas finas distribuídas uniformemente na solução e baixa fração de sólidos, podendo também apresentar boas propriedades reológicas.

Além disso, no processo de preparação de pasta semissólida de liga de magnésio, a adição de um refinador é um método comumente usado para refinar a estrutura. Este sujeito desenvolveu um novo método para preparar pasta semi-sólida de liga de magnésio AZ91D através da ação combinada de agitação de resfriamento interno uniforme e liga mestre Al-Ti, seguida pela rápida solidificação da estrutura da pasta. Ao analisar a fração de fase sólida, tamanho de grão, densidade de grão, fator de forma, etc. da estrutura da pasta, caracteriza-se se ela é boa ou não. Além disso, a liga Al-Ti foi preparada por fusão a arco de alto vácuo, e a microestrutura e o mecanismo de refinamento da liga mestre Al-Ti foram estudados por difratômetro de raios X (XRD), microscópio metalográfico (OM) e outros métodos de detecção.

1. Equipamentos e métodos de teste

O equipamento de polpação semissólida de resfriamento interno uniforme é adotado, e a estrutura principal é mostrada na Figura 1. Usando o método de fusão por arco de alto vácuo, a liga mestre Al-Ti foi preparada com alumínio puro (≥99%, fração de massa, o mesmo abaixo), titânio puro (≥99,5%), e a proporção de massa de Al para Ti foi de 5:9. A parte central da liga foi amostrada e a superfície da amostra foi corroída após retificação grosseira, retificação fina e polimento. Sua composição de fases foi analisada por DRX e sua microestrutura foi observada por MO.

Tomando a liga AZ91D como matriz, sua temperatura solidus e temperatura liquidus medidas pelo software Pandat são 400 ℃ e 595 ℃, respectivamente. Ti é adicionado à liga. Como o Ti tem uma solubilidade muito baixa em magnésio, ele é adicionado na forma de liga mestre Al-Ti. Esmague em pequenas partículas, embrulhe em papel alumínio e pré-aqueça a 200 ℃ para uso posterior. A temperatura de fusão foi inicialmente ajustada para 700 °C e, após a liga base estar completamente fundida, a temperatura foi mantida por 15 min. Durante este período, a mistura de gás SF6 e CO2 foi utilizada para protegê-lo. A liga mestre Al-Ti envolta em papel alumínio foi adicionada à base e agitada com uma haste de grafite por 1 a 2 min. Faça os componentes distribuídos uniformemente, espere até que a liga mestre Al-Ti esteja completamente dissolvida, resfrie até 615 ° C, remova a escória, coloque o corpo da balança com uma velocidade de rotação de 1.400 r/min no cadinho de metal, mergulhe o corpo da balança e use um registrador de temperatura para registrar os dados de temperatura, quando a mudança de temperatura não excede 0,1 ° C, a temperatura da solução é considerada estável e a amostra é fundida com um molde de cobre. As amostras foram retiradas a uma distância de 10 mm do fundo, e as amostras metalográficas foram atacadas com solução de álcool de ácido nítrico a 4% após desbaste, desbaste fino e polimento. Em seguida, use o software de análise de imagem Image-J para analisar quantitativamente o tecido da amostra. O tamanho de grão da estrutura da amostra foi caracterizado pelo diâmetro equivalente médio e pelo fator de forma médio.

2. Resultados do teste
2.1 Microestrutura e análise de fase da liga mestre Al-Ti
A Figura 2 mostra a microestrutura da liga mestre Al-Ti preparada por fusão a arco de alto vácuo. Pode-se observar que há fase de volume preto e fase de rede branca na estrutura, e a fase de faixa também é distribuída. A distribuição dessas fases é uniforme e não há fenômeno de aglomeração, indicando que a liga mestre Al-Ti pode refinar melhor a liga de magnésio. A Figura 3 é um padrão de XRD da liga mestre Al-Ti. A partir da análise do software Jade, pode-se observar que o bloco preto é a fase α2-Ti3Al, e a malha e a faixa brancas são a fase γ-TiAl.
2.2 Liga mestre de Al-Ti que refina a microestrutura da pasta de liga de magnésio AZ91D
2.2.1 Efeito do teor de Ti na microestrutura da pasta de liga de magnésio AZ91D
A Figura 4 mostra a microestrutura da pasta semissólida da liga de magnésio AZ91D com diferentes adições de liga mestre Al-Ti. Quando a liga Ti-Al não é adicionada e o corpo de equilíbrio é agitado, a pasta de liga de magnésio AZ91D é vazada com um molde de cobre. Devido à taxa de resfriamento extremamente rápida do molde de cobre, a microestrutura fundida consiste em dendritos primários de α-Mg e β-Mg17Al12 distribuídos nos limites dos grãos. Composição da fase, os dendritos primários da fase α-Mg são muito grosseiros, mostrando uma estrutura simétrica seis vezes óbvia das ligas de magnésio, e a distribuição dos dendritos é desordenada. Os dendritos primários grosseiros de α-Mg transformaram-se em esferulitos finos quando o corpo em equilíbrio com uma velocidade de rotação de 1.400 r/min penetrou no fundido da liga, e os grãos foram obviamente refinados e começaram a se tornar redondos. Mantendo uma velocidade de rotação estável de 1.400 rpm, quando 0,01% da liga mestre Al-Ti foi adicionada, os grãos foram ainda mais refinados e distribuídos uniformemente. Com o aumento da adição da liga mestre, o refinamento do grão fica mais evidente, o D é menor e o SF é cada vez maior, indicando que os grãos ficam finos e redondos. A adição de 0,1% da liga mestre Al-Ti tem o melhor efeito no refinamento da microestrutura da pasta de liga de magnésio, com grãos finos, grande redondeza e distribuição uniforme. Neste momento, o diâmetro equivalente médio é de 45,17 μm e o SF é de 0,69. Depois disso, com o aumento da quantidade de adição da liga mestre Al-Ti, o efeito de refinamento da microestrutura na pasta de liga de magnésio AZ91D enfraqueceu e os grãos começaram a agregar, e o número e a densidade dos grãos primários esféricos de α-Mg diminuíram ao mesmo tempo, mas comparado com a fundição Com e sem a adição da liga mestre, ainda há um bom efeito de refino.

A Fig. 6 é a curva de mudança da microestrutura D e SF da pasta semissólida da liga de magnésio AZ91D com a quantidade de adição de liga mestre Al-Ti. Pode-se observar que o diâmetro equivalente médio e o fator de forma médio da pasta semissólida da liga de magnésio AZ91D com a adição da liga mestre são maiores do que aqueles sem a adição da liga mestre.

(a) Como lançado; (b) 0%; (c) 0,01%; (d) 0,03%; (e) 0,1%; (f) 0,5%; (g) 1%

Fig.4 Microestrutura da pasta da fase primária α-Mg da liga de magnésio semissólida AZ91D com diferentes adições de liga mestre Al-Ti

Fig.5 Diâmetro equivalente médio do grão e fator de forma médio da liga de magnésio AZ91D com diferentes teores de liga mestre Al-Ti
2.2.2 Efeito do tempo de espera na microestrutura da pasta semissólida de liga de magnésio AZ91D
A Figura 6 mostra a microestrutura semissólida da liga de magnésio AZ91D quando a quantidade de adição da liga mestre Al-Ti é de 0,1% e o tempo de retenção é de 10, 20, 30, 40 e 60 min. Pode-se observar que quando o tempo de espera é de 10 a 30 min, a estrutura semissólida mudou significativamente, o D dos grãos tornou-se significativamente menor, os grãos ficaram mais arredondados e a distribuição tornou-se mais uniforme. Ao mesmo tempo, os grãos da fase primária esférica de α-Mg tornam-se maiores. No entanto, quando o tempo de retenção é prolongado, o tamanho do grão da fase primária de α-Mg começa a tornar-se grosseiro e a forma do grão torna-se gradualmente irregular e agregada. Pode-se observar que a permanência por 30 min é a mais favorável para a microestrutura da liga de magnésio AZ91D.
A Fig. 7 é a curva de mudança da estrutura de grãos D e SF da pasta semi-sólida de liga de magnésio AZ91D com tempo de retenção. Pode-se observar que o D dos grãos é 45,17 μm, o SF é 0,69, a distribuição é relativamente uniforme e a qualidade geral da pasta é melhor do que outros tempos de espera.
Resumindo, em um determinado período de tempo, as partículas de nucleação heterogêneas produzidas por uma certa quantidade de liga mestre Al-Ti são certas. Quanto maior o tempo de interação entre as partículas de nucleação qualitativa e os grãos da fase primária de α-Mg, o crescimento do grão é suprimido e é mais provável que uma grande quantidade de nucleação seja formada; quando o tempo excede um certo tempo, os grãos primários da fase α-Mg podem obter tempo suficiente por um longo tempo. Ao mesmo tempo, a agitação mecânica torna mais difícil a separação das partículas agregadas e precipitadas da fase primária.

Fig.6 Microestrutura da liga de magnésio AZ91D com diferentes tempos de retenção com liga mestre 0,1% Al-Ti

Fig.7 Efeito do tempo de espera no diâmetro do grão e fator de forma da liga de magnésio com adição de 0,1% de liga mestre Al-Ti

3 Discussão
Quando a liga solidifica, cada grão cresce a partir de um ponto de nucleação, e o tamanho do grão do magnésio e de suas ligas é geralmente determinado pelo ponto de nucleação e pela taxa de resfriamento. Atualmente, existem muitos métodos para controlar o tamanho da fase α-Mg primária semissólida. O refinamento da adição da liga Al-Ti sob a condição de resfriamento interno uniforme e agitação está mais alinhado com a teoria do aumento da taxa de resfriamento. A Figura 8 mostra as curvas de resfriamento das ligas de magnésio AZ91D com diferentes adições de Al-Ti durante o processo de solidificação a uma velocidade de agitação de resfriamento interno de 1.400 r/min. Pode-se observar que com a adição de mais e mais liga de Al-Ti, a temperatura de equilíbrio da pasta semissólida de liga de magnésio aumenta, e a temperatura de equilíbrio a 90 s com a adição de 0,1%, 0,5% e 1% é 586,9, 588,2, 587,8 ​​℃, então o tempo necessário para atingir a temperatura de equilíbrio será maior. Isso significa que o corpo em equilíbrio com velocidade de rotação de 1.400 rpm precisa ser agitado na solução de liga de magnésio por mais tempo, o que levará à diminuição simultânea do número e da densidade da fase primária. Os resultados mostraram que a fase primária tornou-se mais grossa durante o processo de agitação por resfriamento interno, e o fator de forma médio aumentou e estabilizou gradualmente. No processo de fundição reológica, o tamanho médio das partículas aumenta com o tempo, o que obedece à lei do engrossamento.

Fig.8 Curvas de resfriamento de ligas de magnésio com diferentes teores de refinador

Além disso, o refinamento dos grãos também está relacionado ao super-resfriamento composicional dos elementos solutos na frente da interface sólido-líquido durante o crescimento dos grãos nucleados. É bem conhecido que o Ti3Al é instável em altas temperaturas e se dissolve em torno de 700 °C. No experimento, a temperatura de adição da liga Al-Ti foi de 700 °C, e nenhuma fase Ti3Al foi observada na subsequente estrutura de pasta semissólida. Portanto, pode-se prever que o elemento Ti existe na solução como um elemento soluto. O mecanismo do fator limitante de crescimento (GRF) é introduzido para explicar o fenômeno do crescimento de grãos limitado pela segregação frontal na interface sólido-líquido. Quanto maior o valor de GRF, maior a probabilidade de o soluto formar sub-resfriamento antes do grão crescer e maior a possibilidade de produzir grãos pequenos. O fator limitante de crescimento original GRF do elemento Ti na matriz de Mg é 5,95×104, que é geralmente considerado um refinador de liga de magnésio extremamente eficaz. O maior valor de GRF indica que durante o processo de solidificação, os átomos de soluto são facilmente enriquecidos na frente da interface sólido-líquido, o que afeta a taxa de difusão. Portanto, com a adição de uma certa liga de Al-Ti, o elemento Ti limitará o crescimento do grão e refinará efetivamente o tamanho do grão de α-Mg. A análise acima mostra que é viável e eficaz refinar a estrutura primária semissólida de α-Mg da liga de magnésio AZ91D adicionando uma certa quantidade de liga Al-Ti. , e refinar em conjunto a estrutura α-Mg.
4 Conclusão
(1) A liga mestre Al-Ti pode refinar efetivamente a pasta semissólida da liga de magnésio AZ91D e o tamanho do grão é reduzido de 68,32 μm para 45,17 μm.

(2) Quando a velocidade de rotação do corpo de equilíbrio é de 1.400 r/min, a quantidade de adição de liga mestre Al-Ti é de 0,1% e a temperatura é mantida a 700 ℃ por 30 min, uma liga de magnésio AZ91D semissólida com formato esférico fino e partículas uniformemente dispersas pode ser obtida.

(3) O tamanho da estrutura da pasta semissólida da liga de magnésio AZ91D aumentará com o aumento do tempo de agitação do balanceador. Ao mesmo tempo, o efeito de refinamento da liga mestre Al-Ti e a agitação do balanceador são promovidos mutuamente.

Formato de citação: Yang Xiangjie, Fu Lianghua, Deng Baofa, et al. Preparação de pasta semissólida de liga de magnésio AZ91D misturando liga mestre Al-Ti e resfriamento interno [J]. Fundição Especial e Ligas Não Ferrosas, 2021, 41(12): 1453 -1457.