Mg对亚共晶Al-10Mg_(2)Si合金组织与力学性能的影响

研究了不同Mg含量对含10 mass%Mg_(2)Si的亚共晶Al-Mg-Si合金显微组织、拉伸性能和断裂行为的影响。结果表明:在合金中添加1.2~2.8 mass%的Mg能够减小初生α-Al枝晶的尺寸,适量的Mg明显地细化了合金中的Mg_(2)Si共晶相,并使其形貌由粗大的汉字状转变为短条状、颗粒状和纤维状。共晶Mg_(2)Si的细化归因于Mg原子团簇在其两侧的富集,抑制了共晶Mg_(2)Si的生长,促进了其生长方向的改变。适量的Mg的添加同时提高了合金的强度和塑性,添加2.8 mass%Mg的合金拉伸性能达到最高,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别由未添加Mg的232.4 MPa、150.4 MPa和1.5%增加到322.0 MPa、270.4 MPa和6.1%,分别提高了38.6%、79.8%和306.7%。未添加Mg的合金的断裂机制为脆性断裂,添加2.8 mass%Mg的合金的断裂机制转变为韧性断裂。

新型电极Mg_(2)SiNi_(3)与Mg_(2)Si的连接和界面行为研究

Mg_(2)Si基热电材料是中温区间最有前途的热电材料之一。为了提高Mg_(2)Si基热电接头的界面性能,提出了一种新型电极材料Mg_(2)SiNi_(3)作为Mg_(2)Si的电极材料,并采用放电等离子烧结技术(SPS)实现了Mg_(2)SiNi_(3)和Mg_(2)Si的连接。同时,测试分析了所得接头的界面微观形貌、界面电性能、力学性能以及稳定性。结果表明,Mg_(2)SiNi_(3)与Mg_(2)Si烧结后形成了完整的冶金结合,界面处各组成元素均实现了均匀过渡;界面接触电阻得到了有效地优化,而且接头以及界面稳定性良好;时效前后,界面性能均未出现大幅的退化。Mg_(2)SiNi_(3)的提出为Mg_(2)Si基热电器件设计和集成提供了一种新的思路。

CO_(2)氧化多孔Mg_(2)Si制备微纳分级Si/C材料及储锂性能

硅基负极材料储量丰富、能量密度高、工作电压稳定,是最具有前景的锂离子电池负极材料之一。然而硅接近300%的体积膨胀和较低的离子导电率在电池的循环中十分不利。本文以多孔Mg_(2)Si为原料,通过CO_(2)氧化一步法去除了Mg的同时,在微米级多孔硅体系中引入了纳米级孔隙,并实现了碳层的均匀复合,制备了微纳分级三维多孔Si/C复合材料(MN-p-Si/C)。该结构不仅减轻了硅在脱嵌锂过程的体积膨胀,为离子和电子的传输提供了三维有效通道,碳层还大幅提高了材料的导电性。得益于这些优势,MN-p-Si/C表现出优异的电化学性能,首次充放电比容量分别为2869.2 mAh/g、2364.5 mAh/g,初始库仑效率高达82.41%,在1A/g高电流密度下,200圈循环后MN-p-Si/C可逆容量还保持在1127.1 mAh/g,容量保持率为70.9%,具有良好的应用前景。

压力下Mg_(2)Ca、Al_(2)Ca和Mg_(2)Si相稳定性的第一性原理研究

采用第一性原理的计算方法优化了施加0~50 GPa静水压力下Mg_(2)Ca、Al_(2)Ca和Mg_(2)Si相的晶胞结构,并计算了不同静水压力下Mg_(2)Ca、Al_(2)Ca和Mg_(2)Si相的弹性性能和电子结构,以此来研究静水压力对各相结构稳定性、弹性性能和电子结构的影响。结果表明:Mg_(2)Ca、Al_(2)Ca和Mg_(2)Si相的晶格常数随施加压力的增大而逐渐减小,并且降低的速率呈逐渐缓慢的趋势;逐渐施加静水压力后,Mg_(2)Ca、Al_(2)Ca和Mg_(2)Si相的体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比以及体模量/剪切模量的值均呈现了不同程度的增长态势,表明施加适当的静水压力可提高Mg_(2)Ca,Al_(2)Ca和Mg_(2)Si相的塑性和延展性,进而改善镁合金的力学性能。随着压力的增加,各相的结构没有发生相变,并且Mg_(2)Si的结构在静水压力下显现出稳定性最强的特性,Al_(2)Ca次之,Mg_(2)Ca相的稳定性在静水压力下逐渐变差。

退火温度对蓝宝石衬底上Mg_(2)Si薄膜质量和光学性质的影响

采用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备了结晶良好的Mg2Si多晶薄膜,研究了退火温度(375~475℃)对薄膜晶体结构、表面形貌、拉曼光谱和光学性质的影响。X射线衍射(XRD)结果表明,当退火温度为400 ℃时Mg_(2)Si(220)衍射峰强度最强,样品结晶质量最好,未见明显可观测的MgO相。扫描电镜(SEM)结果表明,所有样品表面均呈现清晰可见的规则六边形,且退火温度对形貌影响较小。拉曼光谱结果显示所有样品均呈现出Mg_(2)Si薄膜的特征峰(256 cm^(-1)附近的F_(2g)振动模),同时出现345 cm^(-1)附近的F_(1u)(LO)声子模,表明生成样品均为结晶良好的Mg_(2)Si薄膜。对薄膜光学性质的研究结果表明,随着退火温度升高,样品光学带隙先增大后减小。

含金属Mg相的Mg_(2)(Sn,Si)薄膜的微观结构与热电性能

利用高真空磁控溅射设备,采用Mg-Sn-Si合金靶材和纯Mg靶进行顺序沉积,在表面含有500 nm厚氧化硅的单晶Si(100)衬底上制备了不同Mg含量的Mg-Sn-Si薄膜。沉积Mg-Sn-Si薄膜的相组成、化学成分、表面和横截面形貌和热电性能被系统的测量、观察和分析。结果表明,制备的Mg-Sn-Si薄膜由Mg_(2)(Sn,Si)固溶体和金属Mg相组成。随着金属Mg相含量的增多,沉积薄膜载流子浓度升高,迁移率降低。沉积薄膜的电导率随着金属Mg相含量的增多而增大,而Seebeck系数降低。沉积薄膜的金属Mg相含量增加,虽然电导率增加,但因Seebeck系数急剧下降,最终导致功率因子下降。在所研究的金属Mg含量范围内,Mg_(2)(Sn,Si)固溶体薄膜含有部分金属Mg相,对提高复合薄膜的功率因子是不利的。

Si、Mg添加量对Al-Mg-Si合金的显微组织和Mg_(2)Si相形貌的影响

采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)等手段研究分析了Al-8.8Mg-9.2Si、Al-12.6Mg-7.4Si、Al-15.4Mg-9.8Si三种不同Mg_(2)Si含量的合金在金属型下的铸态凝固组织演化。结果表明,合金的凝固路径为L→L_(1)+Mg_(2)Si→L_(2)+Mg_(2)Si+(Al+Mg_(2)Si)_(二元共晶)→Mg_(2)Si+(Al+Mg_(2)Si)_(二元共晶)+(Al+Mg_(2)Si+Si)_(三元共晶),室温下的凝固组织为一定量的初生Mg_(2)Si相、二元共晶和三元共晶集群构成。随着Si含量和Mg含量的增加,初生Mg_(2)Si相的数量增加,其生长形态由八面体多边形向二次枝晶壁较为发达的树枝晶状转变,共晶Mg_(2)Si相的形态并没有明显的转变。通过对比Al-12.6Mg-7.4Si、Al-15.4Mg-9.8Si合金的凝固组织形貌,发现共晶晶胞的纵横比率累积值随着计算Mg_(2)Si含量的增加而下降。

退火温度和退火时间对不同衬底上Mg_(2)Si薄膜结构的影响

以Mg_(2)Si烧结靶为靶材,采用磁控溅射法在Si、石英和Al_(2)O_(3)衬底上先沉积一层Mg_(2)Si非晶薄膜,再进行退火处理,研究了衬底类型、退火温度及退火时间对Mg_(2)Si多晶薄膜结构的影响。结果表明:Si、石英、Al_(2)O_(3)三种衬底上Mg_(2)Si薄膜的最优退火温度和退火时间均为350◦C和1 h。Al_(2)O_(3)衬底上的Mg_(2)Si薄膜结晶质量最佳,Si衬底上的薄膜次之,石英衬底上的薄膜结晶质量最不理想,分析表明这种差异主要源于衬底与薄膜之间的热失配不同。

溅射功率和溅射时间对Mg_(2)Si纳米晶薄膜结构和电阻率的影响

采用射频磁控溅射在蓝宝石衬底上制备了Mg_(2)Si纳米晶薄膜,研究了Mg_(2)Si烧结靶溅射功率(90~140 W)及溅射时间(10~60 min)对Mg_(2)Si薄膜的结构和电阻率的影响。结果表明:随着溅射功率增加,样品的XRD衍射峰逐渐增强;但当功率超过100 W时,样品中出现了偏析出来的单质Mg。随着溅射时间增加,样品的XRD强度先增强后减弱,溅射时间为40 min时,样品的XRD衍射峰最强;继续增加溅射时间,样品中出现微弱的MgO衍射峰。所有样品均呈现出Mg_(2)Si晶体的特征拉曼峰,即256 cm^(-1)附近的F2g模及347 cm^(-1)附近的F1u(LO)模。随着溅射功率增加,样品的电阻率减小;随着溅射时间增加,样品的电阻率先减小后增大,溅射时间为40 min时,样品的电阻率最小。

分层溅射法制备晶向可控的Mg_(2)Si薄膜

采用分层溅射法在石英衬底上制备了结晶良好的Mg_(2)Si多晶薄膜。当Si膜的溅射时间均为25 min、Mg膜的溅射时间为18~22 min、退火温度为375℃时,随着膜厚增加,Mg_(2)Si薄膜的织构由(311)向(220)转变;退火温度为400℃时,薄膜的最强衍射峰均为Mg_(2)Si(220)。所有样品均在256 cm^(-1)附近出现了较强的拉曼散射特征峰,在347 cm^(-1)附近出现了较弱的拉曼散射特征峰,这两个峰分别属于Mg_(2)Si的F_(2g)和F_(1u)(LO)声子模。在石英衬底上,改变溅射条件和退火温度,可实现Mg_(2)Si薄膜的晶向可控制备。

Si(111)衬底上Mg_(2)Si薄膜的XRD和拉曼光谱研究

采用磁控溅射方法在Si(111)衬底上分别沉积不同厚度的Mg膜,然后低真空退火处理得到结晶良好的Mg_(2)Si薄膜。一定条件下,Mg膜的最优沉积厚度为2300 nm,对应的Mg_(2)Si(220)衍射峰最强。所有样品均出现256 cm^(-1)附近的拉曼散射峰,该峰归因于Mg_(2)Si的F_(2g)振动模,且该振动模的积分强度随膜厚增加先增加后减小,硅衬底上2300 nm Mg膜退火后的Mg_(2)Si样品的拉曼积分强度最强。

挤压温度对Al-25%Mg_(2)Si复合材料组织和性能的影响

用熔铸法制备高增强相质量分数的Al-25%Mg2Si复合材料。在300~400℃挤压温度、2.64∶1挤压比和0.001 m/s挤压速度下,获得热挤压材料。利用OM、SEM和XRD分析材料的相和显微组织以及对应的抗弯性能。结果表明:铸态组织由枝晶状或漏斗状初生Mg2Si(Mg2Sip)、片状共晶Mg2Si(Mg2Sie)和α-Al组成;挤压变形后,Mg2Sip钝化破碎,Mg2Sie片或Mg2Sie颗粒间距增大,部分Mg2Sie被破碎为点状或短棒状;由于增强相的破碎和孔隙率降低,复合材料的强度和塑性大幅提高,随挤压温度的降低,增强相Mg2Si的破碎效果更显著,复合材料的抗弯强度不断升高,最大为183 MPa,而塑性先升后降,在360℃达到最大值,为1.9%。

添加Cu和T6下Mg_(2)Si/Al复合材料的组织与性能

采用铸造法制备原位自生亚共晶Al-10Mg_(2)Si复合材料,研究Cu和T6热处理对该复合材料组织与力学性能的影响。结果表明:适量Cu的添加能显著减小共晶Mg_(2)Si相晶粒尺寸,使其晶体结构由粗大的长条状和汉字状转变为细小的条状和纤维状;同时使针状的β-Al_(5)Fe Si相转变为细小的不规则富Cu颗粒。经T6热处理后,质量分数为1.5%的Cu复合材料中的共晶Mg_(2)Si相完全球化。质量分数为1.5%的Cu添加同时提高了材料铸态下的抗拉强度(R_(m))、屈服强度(R_(p0.2))和伸长率(A),达317、169 MPa和2.3%,比未添加Cu提高了42.2%、24.3%和53.3%;经T6热处理的R_(m)和R_(p0.2)值分别增至332、181 MPa,而A值保持不变。同时,材料由脆性断裂完全转变为韧性断裂。

均匀化处理对Al-5.6Mg2Si合金耐静态腐蚀性能的影响

采用X射线衍射、扫描电镜等测试手段研究了均匀化处理对Al-5.6Mg_(2)Si合金耐静态腐蚀性能的影响。结果表明:均匀化处理提高了Al-5.6Mg_(2)Si合金凝固组织的均匀化程度,降低了易于发生原电池现象的点敏感度,使该合金在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能提高。对比未经均匀化处理的Al-5.6Mg_(2)Si合金,其平均晶粒尺寸由42.5μm变成16.4μm,约为未均匀化处理的38.6%;Mg_(2)Si相体积份数由61.72%降低到57.20%,为未均匀化处理的92.7%,其平均腐蚀速率由0.38180g/m^(2)·h减小到0.00807g/m^(2)·h,约为未均匀化处理时的2.11%。

镁基材料中Mg_(2)Si相调控技术的研究进展

Mg_(2)Si相增强镁基材料具备低密度、高强度、高热稳定性、高耐磨性等优点,在航空航天、轨道交通等领域具备极大应用前景。研究表明,常规制备条件下Mg_(2)Si相组织粗大,有尖锐棱角,在受力过程中容易成为裂纹源而降低镁基材料的强韧性,因此需调控Mg_(2)Si相尺寸及分布。近年来,多种Mg_(2)Si相调控技术不断应用于镁基材料体系。在传统铸造方面主要通过变质处理或熔体处理调控Mg_(2)Si相形貌及尺寸,调控后初生Mg_(2)Si相由粗大枝晶状、鱼骨状转变为多面体状或颗粒状,共晶Mg_(2)Si相则由汉字状转变为细纤维状或短棒状,相尺寸也从数百微米被细化到数十微米。调控后的Mg_(2)Si相分布更加均匀,材料的强韧性也得到改善。此外,还可通过大塑性变形、快速凝固、粉末冶金等先进技术调控得到纳米级均匀弥散分布的Mg_(2)Si相增强镁基材料,材料性能也得到进一步提升。本文综述了Mg_(2)Si相形貌及分布、常规铸造过程的变质处理和熔体处理以及新兴的先进调控技术对Mg_(2)Si相增强镁基材料组织与性能影响的研究现状,还分析了不同调控技术的优势与不足,并对Mg_(2)Si相增强镁基材料未来的发展进行了展望。

Nd变质对Al-Mg_(2)Si合金组织和力学性能的影响

研究了Nd变质处理对Al-20Mg_(2)Si合金组织和力学性能的影响。结果表明,当Nd的加入量为0.3wt%时,初生Mg_(2)Si形貌由未变质的粗大汉字状转变为多边形,变质效果最好,初生Mg_(2)Si相尺寸细小,分布均匀,合金抗拉强度为119 MPa,伸长率为1.95%,和未变质合金相比,抗拉强度和伸长率分别提升了52.6%和56%。当Nd的加入量达到0.5wt%时,初生Mg_(2)Si再次粗化,出现过变质现象,致使力学性能降低。Nd变质处理对共晶Mg_(2)Si形貌影响不大。

超声处理对Mg-9Al-1Si合金第二相形貌及力学性能的影响

利用铜质金属型重力铸造制备了Mg-9Al-1Si合金,通过凝固前施加不同时间超声处理调控合金组织形貌。利用OM、XRD、SEM、拉伸实验等方法研究了在不同超声处理时间作用下Mg-9Al-1Si合金组织形貌演变及其对力学性能的影响。结果表明:未经超声处理时,α-Mg基体呈粗大的树枝晶,粗大汉字状Mg_(2)Si相有明显的团聚现象,β-Mg_(17)Al_(12)相以断续网状沿枝晶界分布;超声处理能显著细化合金微观组织,α-Mg基体晶粒尺寸减小由粗大的树枝状转变为团絮状,汉字状Mg_(2)Si相被细化,变为长条状或细线状,分布变得均匀;β-Mg_(17)Al_(12)相网状趋势弱化,边界处出现大量层片状β-Mg_(17)Al_(12)相。随着超声时间增加,超声的声空化和声流作用使合金组织明显改善,但作用时间太长反而减弱组织细化作用。因此,超声处理后Mg-9Al-1Si合金力学性能得到明显改善,且随超声作用时间先增后降,其中超声处理20 min时提升最大,相较于未超声处理合金分别提高了72、74 MPa和2.31%。

Mg_(2)(Si,Sn)合金大尺寸试样低温固相反应法制备及其热电性能

Mg_(2)(Si,Sn)合金是一种受到广泛关注的中温区热电材料,具有成本低廉、环境友好等优点。Mg_(2)(Si,Sn)材料研究中非常重要的一环在于如何实现对Mg元素的精准控制,采用低温固相反应法可能是一种切实有效的方法。本研究通过低温固相反应法成功制备了高质量Mg_(2)(Si,Sn)合金试样,并将此方法应用至百克级Mg_(2)Si_(0.35)Sn_(0.635)Sb_(0.015)大尺寸试样的制备中,研究了大尺寸试样不同区域的热电性能及其均匀性。实验结果表明低温固相反应法能有效抑制Mg元素的挥发,实现对其较为精准的成分控制;制得的大尺寸试样的致密度沿压力方向存在规律性分布,越靠近试样中心材料致密度越高,相应地其组分含量和热电性能也随之变化。在640 K时,Mg_(2)Si_(0.35)Sn_(0.635)Sb_(0.015)大尺寸试样在所研究的不同区域最高zT值约为0.75,平均zT值达到0.66。

热处理对Al-25wt.%Mg_(2)Si-1.0wt.%La复合材料组织演变和力学性能的影响

研究了原位自生Al-25wt.%Mg_(2)Si-1.0wt.%La复合材料的组织和性能,但形成的Mg_(2)Si初生相组织粗大,呈尖角状,降低了材料的力学性能,故采用了热处理方法改善其组织和性能。试验结果表明,热处理可以改善Al-25wt.%Mg_(2)Si-1.0wt.%La复合材料的微观组织和力学性能,当固溶温度为(545±5)℃,保温时间为12 h,时效温度为(175±5)℃,保温时间为7 h时,Mg_(2)Si初生相组织较细小、圆润、分布均匀,此时的力学性能也最佳,抗拉强度为210.7 MPa,伸长率3.83%,硬度为HB134.2。

Al-5Ti-1B与Y复合添加对铸造Mg-5Al-5Si合金的影响

【目的】为细化Mg-Al-Si合金中的粗大Mg_(2)Si相,添加Al-5Ti-1B和稀土Y对Mg-5Al-5Si合金进行变质处理。【方法】熔炼制得不同成分的Mg-Al-Si合金,使用多种测试方法对变质前后合金成分、微观组织及力学性能进行分析,并讨论其变质机理。【结果】结果表明:在Mg-5Al-5Si合金中添加Al-5Ti-1B,初生相形貌由粗大块状转变为细枝晶状或多边形状,共晶相数量随着Al-5Ti-1B添加量的增加而减少,合金硬度显著提高,这是因为TiB_(2)为Mg_(2)Si提供了形核基底。当合金中添加1.0%Al-5Ti-1B时,再添加Y会使初生相尺寸进一步减小,形貌规整。当复合添加1.0%Al-5Ti-1B和1.0%Y时,初生Mg_(2)Si相平均尺寸降低到10.2μm,形貌为细小多边形状,合金拉伸力学性能最优,稀土Y的变质机理主要为吸附毒化。