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高强稀土镁合金的研究与发展现状
2018-02-14 13:51:12   来源:科学管理 常州第一中学 孙博闻   评论:0 点击:

镁合金作为最轻的金属结构材料,具有优秀的电磁屏蔽性能、机械加工性能、减震降噪性能、和易于回收等优点,在交通运输、传统制造、电信电子和航空航天等领域正得到日益广泛的应用[1]。但镁合金在室温条件下存在高温强度低、抗蠕变性能及耐腐蚀性能差的问题,且在熔炼、浇注及加工非常容易发生氧化燃烧,这些问题都进一步限制了镁合金的发展及利用。对传统镁合金采用稀土来进行合金化可以有效地改善镁合金的铸造加工性能、组织结构、室温及高温性能和抗蠕变强度等[2]。因此如果能够在镁合金领域开发出一系列含稀土的镁合金,从而改善传统镁合金室温和高温强度低的特点,这将使镁合金的运用领域及运用量得到进一步的扩大和发展。

1 稀土对镁合金的作用

稀土元素在铸造过程中对熔体具有净化作用,具体来说可以除氢、除硫、除铁以及相关的夹杂物。由于镁合金比较活泼,在熔炼过程中非常容易与水进行析氢反应,这些氢气会在铸造过程中导致缩孔的产生。加入的稀土元素可以与氢气发生反应,上浮成固体渣,从而达到除氢的目的。

稀土能够在熔体表面形成致密的复合氧化物膜,这层保护膜可以有效阻止熔体与大气之间的接触,从而大幅度提高镁合金熔体的起燃温度,稀土具有重要的阻燃的作用[3]。

另外,稀土元素的加入,将能有效的提高镁合金的力学性能,具有多种强化作用:

固溶强化,稀土元素在镁中具有较高的固溶度,稀土原子溶入镁基体中增强原子间的结合力,使基体产生晶格畸变。稀土元素固溶强化的作用主要是减慢原子扩散速率,阻碍位错运动,从而强化基体,提高合金的强度和高温蠕变性能。

细晶强化,根据Hall-Petch公式,合金的强度会随晶粒大小的细化而增加,而稀土发生富集会阻碍α-Mg晶粒长大,从而对镁合金产生非常有效的晶粒细化效果。时效强化,稀土元素在镁中形成的过饱和固溶体是非常不稳定的,容易产生细小弥散的沉淀相,这些沉淀相对镁合金能够起到强化作用。

弥散强化,在镁合金中添加稀土元素,这些元素会和添加的其他元素形成各种金属间化合物,这些金属间化合物细小弥散地分布在晶界和晶内,其金属间化合物一般都比较稳定,从而能够钉扎晶界,阻碍位错运动,强化其力学性能。

2 高强稀土镁合金

2.1 Mg-La、Ce、Pr、Nd系列稀土镁合金

La、Ce、Pr及Nd是价格较为低廉的稀土元素,并且作为合金添加元素已经广泛用于镁合金中。研究表明:随着La、Ce等稀土元素添加量的增加,镁合金的抗拉强度和屈服强度会逐渐增大,但超过一定的含量后,强度的增长会逐渐减缓甚至缓慢下降,这个转折点一般发生在在最大固溶度附近。另外,随着稀土元素添加量的逐渐增多,其延伸率逐渐下降,其中Mg-Ce系列最为明显。La、Ce、Pr、Nd系的稀土镁合金其抗拉强度和屈服强度都比较低,另外规律显示,La、Ce、Pr、Nd的抗拉强度和屈服强度依次增加。

近年来,国内外对La、Ce等稀土镁合金展开了各种研究。吴安如等人对Mg-Ce-Zn合金进行了挤压和T2处理,发现共晶相主要是Mg12Ce和Mg17Ce2化合物,并且沿挤压方向分布,明显提高了合金在室温及高温下的力学性能。室温下的抗拉强度达到251.3MPa,高温强度下降比较明显,因此可以在150℃以下应用。刘志杰等人总结了Nd元素在各种镁合金系列中的作用,发现Mg-Nd具有明显的时效强化作用,对于各个系列的镁合金的强度等力学性能都具有积极的作用。

2.2 Mg-Sm系列稀土镁合金

Sm在镁中的最大固溶度为5.7%,无论在室温还是在250℃下,镁合金的强度都会随Sm含量的增加而增加。经实验证实,T5条件下,合金的强度是先急剧增加,达到顶峰之后,强度随着加入的量的增大而缓慢下降,这个顶峰为Sm在镁基体中的最大固溶度。通过向镁合金中添加1%、2%、3%含量的Sm发现,随着Sm含量的增加,中间相的含量越来越多。在热挤压之后由于发生了动态再结晶,晶粒明显得到细化。

赵永成等人研究了Sm对于Mg-Zn-Y合金组织的结构和力学性能的影响,分别添加了1%,2%,3%的Sm,发现在Mg-Zn-Y合金中添加Sm元素后,合金晶粒有明显的细化现象,在Sm添加量为2%时合金的最大抗拉强度和伸长率都达到最高[4]。

李全安、李克杰等人Sm对时效态Mg-12Gd-2Y-0.5Zr合金组织与力学性能的影响,通过对显微组织的观察和力学性能的分析,发现,随着Sm的加入,Mg-12Gd-2Y-0.5Zr合金晶粒细化,并生成Mg3Sm、Mg41Sm5相,并且其屈服强度和抗拉强度增大,伸长率降低,主要的机制是固溶强化[5]。

2.3 Mg-Y系列稀土镁合金

Y元素在镁基体中的固溶度较大,能够形成高强度的二元Mg-Y合金,强度高于Mg-Sm合金。随着Y元素含量的增加,Mg-Y合金的强度逐渐增加,超过一定的含量后,增加幅度逐渐减小。Y元素能够有效的改善微观组织、细化晶粒,它的加入会使得晶界上第二相化合物相增多,这些弥散分布的强化相能钉扎晶界,从而阻碍了晶界的滑移及位错的运动,这将能够有效的使得镁合金得到强化。

1979年,Drits发现Y对镁合金具有重要作用,开发出了WE系合金。Mg-Y系中应用最广的是WE54和WE43,WE54长期使用温度是300℃,室温高温,抗蠕变性能都很优秀,还具有很好的抗腐蚀性能。WE43的开发目的是为了增加其伸长率,适用于250℃,该牌号已经广泛应用与赛车及航空飞行器变速箱壳体上。

张建新等人,通过以Mg-10Y中间合金形式向MgAl-Zn合金中,加入0~2.5%的稀土元素。研究发现,1%含量的Y对合金有强烈的细化作用并且对表面耐蚀性能有较好的效果,含1.5%Y的合金具有较好的室温力学性能,随着Y含量的增加,其高温力学性能及抗蠕变性得到有效改善[6]。

吴国华等人研究了Y对铸态及热处理态AZ91D镁合金的组织和力学性能的影响,发现当Y含量达到1.5%时,合金抗拉强度达到最大值184.83MPa,Y含量超过2%时,合金强度、塑性和硬度都会下降。Y的加入会使175℃和200℃下的时效峰值硬度都有所提高[7]。

2.4 Mg-Gd系列稀土镁合金

Gd是重稀土元素的代表,在镁中的平衡固溶度非常高,具有优异的低温力学性能和异常的低温塑性性能。在挤压、淬火及时效硬化下,均发现室温和高温抗拉强度随Gd含量的增加而提高。研究表明:在腐蚀性能上,随着Gd含量由6%增加到10%,合金的腐蚀抗力逐渐降低,但Gd含量由10%增加到12%,合金的腐蚀抗力又会逐渐增加。

王武孝等人利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射分析及高温压缩蠕变装置等,研究了稀土元素Gd对Mg7Al-1Si合金显微组织及蠕变性能的影响。结果表明:适量Gd的加入能明显细化Mg-7Al-1Si合金的晶粒尺寸、改善Mg2Si相的形态,使β相分布更弥散,并提高了合金的抗高温蠕变性能[8]。

常建卫等研究Mg-10Gd-3Y-0.4Zr合金在铸态、固溶态以及时效热处理状态下的腐蚀行为,发现随着时效时间从0.5h延长到193h时,析出相的数量逐渐增加,合金的腐蚀速率逐渐增加,当时效时间延长到500h后,由于出现了粗大的β相,在一定程度上起到腐蚀阻挡层的作用,合金的腐蚀速率又有所降低[9]。

3 稀土镁合金的应用与发展

较高的室温和高温强度是稀土镁合金的重要特点,这也使得其在社会生活的各个方面都有着广泛的应用。

在交通运输方面,中国奇瑞汽车公司已经有100%采用镁合金方向盘,并力争实现单车镁合金达到30kg。中国一汽公司和中国科学院长春应用化学研究所进行了相关合作,开发出高性能的稀土镁合金,目前已经形成了每年1500吨镁合金压铸件的批量生产能力。

在轨道交通中方面,德国西门子公司的ICE高速列车和法国TGV高速列车已经开始开发应用稀土镁合金零部件,如座椅、框架等。

在军事武器方面,MD600N直升机的变速装置已经采用了稀土镁合金,其降低了重量,进一步提高了旋翼的升力,效果显著。而在中国国内,神舟6号载人飞船利用中间合金开发出的稀土镁合金牌号MB26,并用这个制作电器箱,实现了飞船有效减重13kg。

在电子电器方面,惠普、苹果、华为、三星和索尼等公司生产的笔记本电脑、平板电脑手机、照相机、摄像机等的外壳已经在广泛的使用稀土压铸镁合金,在减轻重量的同时,还能够有效的保持较高的强度和刚度。

目前,稀土镁合金产业还存在着这些问题,包括如何提高镁合金的强度及韧性;如何提高镁合金的高温抗蠕变性能;开发新的镁合金表面处理技术,使镁合金零部件耐腐蚀性能进一步提高;稀土镁合金合金化的理论研究还不成熟;加工工艺需要进一步改进以适应不同的需求。

因此,稀土镁合金在未来拥有广阔的应用前景,因此也发展出了不同的研究方向。比如,镁合金金相的量化控制,发展先进的合金制备工艺,开发多组元复合强韧性稀土镁合金,研究微合金化元素对稀土镁合金的作用等。

参考文献

刘静安,盛春磊. 镁及镁合金的应用及市场发展前景[J]. 有色金属加工,2007(2):1-6.

刘志杰,吴国华,庞松,等.Mg-Nd系合金及Nd在镁合金中的应用与展望[J]. 铸造技术,2012(2):151-154.

张景怀,唐定骧,张洪杰,等. 稀土元素在镁合金中的作用及其应用[J]. 稀有金属,2008(5):659-667.

赵永成,颜世宏,李宗安,等.稀土元素Sm对MgZn-Y合金组织结构和力学性能的影响[J]. 稀有金属,2011(5):667-672.

李全安,李克杰,张清. Sm对时效态Mg-12Gd2Y-0.5Zr合金组织与力学性能的影响[J]. 材料热处理学报,2011(12):84-88.

张建新,高爱华,郭学锋. Y对Mg-5Al-1.2Zn0.8Sb合金组织和性能的影响[J]. 航空材料学报,2012(5):49-53.

吴国华,李冠群,樊昱,等. Y对AZ91D镁合金组织及力学性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金,2006(5):260-263+253.

王武孝,张莎,刘健,等. Gd含量对Mg-7Al-1Si合金组织及蠕变性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2014(4):346-349.

常建卫,郭兴伍,彭立明,等.250℃时效处理对Mg10Gd-3Y-0.4Zr稀土镁合金腐蚀行为的影响[J].腐蚀科学与防护技术,2009(2):88-90.

作者简介

孙博闻,1999.10.8,男,汉族,籍贯江苏常州,就读于常州第一中学,高中在读,研究方向是材料科学。


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