耐熱鎂合金組織性能與強(qiáng)化機(jī)理研究

摘 要：鎂合金在交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景引起了世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和科研人員的關(guān)注。一直以來(lái)，歐美國(guó)家在耐熱鎂合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究上都處于領(lǐng)先地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高性能耐熱鎂合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得到我國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)和研究人員的日益關(guān)注。特別是近十幾年來(lái)，我國(guó)在耐熱鎂合金的研究上已經(jīng)呈現(xiàn)后來(lái)居上的態(tài)勢(shì)。作為一個(gè)鎂資源和稀土資源大國(guó)，進(jìn)一步加快鎂的深加工水平，提高鎂制品的科技含量，開(kāi)發(fā)出系列具有國(guó)際先進(jìn)水平的新型高性能鎂合金和先進(jìn)的鎂合金制備和成型新技術(shù)，將為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入強(qiáng)勁的科技創(chuàng)新動(dòng)力。

關(guān)鍵詞：鎂合金；組織；性能；強(qiáng)化機(jī)理

前言

鎂的比強(qiáng)度比鋁和鋼高，比剛度相當(dāng)，常用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)部件、軌道交通、航空航天器結(jié)構(gòu)部件等。僅在汽車上，就有100多種零件采用鎂合金，比如德國(guó)大眾、美國(guó)通用、日本豐田和國(guó)內(nèi)的上汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安等公司已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和儀器儀表殼體及各種支架上應(yīng)用鎂合金材料。但是，鎂合金在高溫使用時(shí)，其高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度會(huì)急劇降低，使得使用范圍受到較大限制。因而耐熱鎂合金的研究和開(kāi)發(fā)得到了科研機(jī)構(gòu)和研究人員的關(guān)注。

1 研究目的

Mg-Th系列是最早開(kāi)發(fā)的耐熱鎂合金，開(kāi)發(fā)伊始大量應(yīng)用于導(dǎo)彈和飛機(jī)，但是因?yàn)門(mén)h的放射性會(huì)造成人身傷害，因而已經(jīng)不再使用。后來(lái)研究人員又開(kāi)發(fā)了AE系、WE系、EZ系、AS系等稀土耐熱合金。稀土元素可以減小鎂合金晶界擴(kuò)散的滲透性，減慢其相界的凝聚作用。而且，常見(jiàn)的稀土元素會(huì)和鎂元素形成熱穩(wěn)定性較高的的第二相粒子，這些粒子在鎂合金變形的過(guò)程中起到阻礙位錯(cuò)的作用，從而增加合金的抗變形強(qiáng)度。這些稀土鎂耐熱鎂合金長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)120℃以上，因而得到廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，然而，由于稀土的比重遠(yuǎn)高于鎂，且鎂在澆鑄時(shí)極易燒損，其澆鑄工藝難控，所得合金的穩(wěn)定性較差。同時(shí)，稀土耐熱鎂合金的塑性通常較差，不利于機(jī)械加工。

文章主要針對(duì)現(xiàn)有的商業(yè)化鎂合金高溫力學(xué)性能差，不能長(zhǎng)期用于高溫環(huán)境的不足，以及已有的AS系鎂合金鑄造性能差，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低，AE系凝固范圍窄，充型能力差等缺點(diǎn)，分析微量釓、鈧、釔等稀土元素及堿土族元素對(duì)耐熱鎂合金組織性能的影響，并研究多種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)合金基體和晶界的強(qiáng)化作用，為開(kāi)發(fā)新型鎂-稀土合金奠定研究基礎(chǔ)，以滿足汽車及航空工業(yè)對(duì)更高耐熱性能的要求。

2 鎂合金的組織及性能

2.1 常用耐熱鎂合金

美國(guó)在高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金研究與應(yīng)用上起步最早，開(kāi)發(fā)了多種系列的稀土鎂合金，如AE系列鎂稀土壓鑄合金和WE系列合金，早已投入規(guī)模應(yīng)用。歐洲是研究鎂合金最活躍的國(guó)家，主要開(kāi)發(fā)的EK系列、EZ系列、QE系列等多用在飛機(jī)、導(dǎo)彈鑄件中，以及其后進(jìn)行的Mg-Gd、Mg-Sc-Mn、Mg-Tb合金等稀土鎂合金的研究，奠定了歐洲各國(guó)的稀土鎂合金合金的基礎(chǔ)研究。日本在二戰(zhàn)結(jié)束后，大量吸收并相繼仿制出MC8（類似于EZ33A）、MC9（類似于QE22A）、MC10（類似于ZE41A）等稀土鎂合金。我國(guó)近十年來(lái)在耐熱鎂合金方面的研究呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始大力推動(dòng)鎂合金產(chǎn)業(yè)化并出臺(tái)相關(guān)支持政策，與此同時(shí)將稀土在鎂合金中的應(yīng)用研究作為重要課題立項(xiàng)給予支持。

在耐熱鎂合金的研究方面，研究人員主要研究和開(kāi)發(fā)的合金系列有Mg-Zn系，Mg-Al系和Mg-RE系合金。在這些合金中，WE43和WE54是開(kāi)發(fā)較為成熟的耐熱鎂合金，這些合金的室溫和高溫強(qiáng)度高，可在300℃的高溫下工作，并有較好的耐腐蝕性能。而QE型合金的疲勞抗力好，且具有較高的蠕變強(qiáng)度和優(yōu)良高溫抗拉性能。

2.2 耐熱鎂合金中的相

通過(guò)觀察鎂合金的金相組織，發(fā)現(xiàn)在鎂合金中有較多的片狀析出物出現(xiàn)，這些析出物的在α鎂合金基體的棱面上形成慣習(xí)面，結(jié)構(gòu)上呈緊密交錯(cuò)的三角形，這種結(jié)構(gòu)可以有效阻礙鎂合金基體在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑移行為。例如，在Mg-Th合金中，觀察到亞穩(wěn)態(tài)六角結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)生成的穩(wěn)態(tài)Mg23Th6 （fcc）相，就是在基體的棱面上形成的緊密交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

2.3 稀土元素在合金中的作用

由于稀土元素在Mg合金中，極易形成穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)，因此很多學(xué)者在耐熱鎂合金的研究中，通過(guò)添加Y、Sc、Gd等稀土元素來(lái)改善鎂合金的相結(jié)構(gòu)，從而試圖提高鎂合金的耐腐蝕性能和高溫性能。鈧可以在鎂合金中形成穩(wěn)定的析出相，且形成的析出相在基體中的擴(kuò)散速度慢，是一種極具潛力的鎂合金添加元素。但是，Mg-Sc合金的蠕變性能不好，為了提高其蠕變性能，必須添加其它元素進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化。常見(jiàn)的加入元素是Mn，Mn和Sc在鎂合金中形成強(qiáng)化相Mn2Sc和Mn23Sc6，可以有效提高合金的抗蠕變性能。除了添加Mn元素，還可以在Mg-Sc合金中添加Gd、Y等元素，添加Gd、Y等價(jià)格較低的元素，一方面可以降低成本較高的Sc的添加量，從而降低Mg-Sc合金成本較高的問(wèn)題，另一方面通過(guò)多種合金成份的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到多元合金MgMnGdSc等，不僅成本適中，而且合金的抗蠕變性能比Mg-Sc合金好，耐腐蝕性能也得到改善。在這些多元合金中，生成的主要強(qiáng)化相有Mn23Sc6、GdMg5、Mn23Sc6、Mg24Y5和Mn12Y等，這些強(qiáng)化相都可以提高合金的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

從稀土元素在鎂合金中的作用來(lái)說(shuō)，Gd元素的加入與Sc元素起到的作用較為相似，二者都能夠提高鎂合金的熔點(diǎn)，增加合金生成相的穩(wěn)定性，并且提高合金高溫性能和抗蠕變性能。研究表明，合金的多元化添加和成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高耐熱鎂合金性能的有效途徑之一。

從稀土元素的相結(jié)構(gòu)來(lái)看，大多數(shù)稀土元素在鎂合金中會(huì)發(fā)生沉淀，它們的沉淀序列取決于熔鑄的溫度，一般來(lái)說(shuō)沉淀序列開(kāi)始于170～200℃，在合金中生成密排六方結(jié)構(gòu)的β相，這些β相在合金中大多形成超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高，相結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，并在 200～250℃時(shí)形成體心正交結(jié)構(gòu)的β相。溫度繼續(xù)升高到300℃以上時(shí)，在鎂合金的晶內(nèi)及晶界上生成平衡的面心立方β沉淀相，這些沉淀相在合金中呈不均勻分布狀態(tài)。由于稀土元素在鎂合金中生成熱穩(wěn)定性高的的顆粒相，并在合金中彌散分布，從而使鎂合金表現(xiàn)出較好的耐熱性能。

3 鎂合金強(qiáng)化及其機(jī)理

3.1 強(qiáng)化方式

鎂合金可以通過(guò)固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等方式提高鎂合金基體高溫蠕變性能。

在鎂合金中加入Sc、Gd、Y、Mn、Ca等多種溶質(zhì)元素，可以提高合金的均勻化溫度和彈性模量，形成難熔的固溶體，從而減慢合金的擴(kuò)散和自擴(kuò)散過(guò)程，融入固溶體中的溶質(zhì)原子還可以形成晶格畸變，增大位錯(cuò)攀移的阻力，從而提高合金的強(qiáng)度和蠕變性能。

在鎂合金基體中加入稀土等溶質(zhì)元素，這些稀土元素與鎂基體共同作用，形成固溶度隨溫度下降而降低的析出相，這些析出相往往形成彌散分布的硬質(zhì)點(diǎn)，充斥在合金基體中，對(duì)合金變形時(shí)的滑移位錯(cuò)造成阻礙，使得合金得到強(qiáng)化。

稀土元素在合金中往往形成彌散分布的稀土第二相，這些相熔點(diǎn)很高而在鎂基體中溶解度較小，當(dāng)這些彌散相在鎂合金中分布均勻，可大大提高耐熱鎂合金的高溫強(qiáng)度。

3.2 強(qiáng)化晶界的措施

稀土作為活性元素，在鎂合金中會(huì)內(nèi)吸附現(xiàn)象而聚集在晶界處，這些聚集的粒子可以提高鎂合金的蠕變性能。但是，因?yàn)榫Ы缣幍牧Ｗ蛹郏踩菀滓蚓Ц袢毕葺^多使原子擴(kuò)散遷移速度加快，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度部分降低，從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度提升并不十分明顯。因此在鎂合金強(qiáng)化晶界的過(guò)程中，應(yīng)施加一定措施，保證晶界強(qiáng)化的效果。

（1）添加稀土等高熔點(diǎn)元素，與鎂合金反應(yīng)生成大量細(xì)小析出硬化相，聚集在合金晶界處。

（2）盡可能增大析出相的晶粒尺寸，從而使得原子擴(kuò)散距離增大，提高晶界聚集的程度，但是帶來(lái)的不利影響是鎂合金晶粒尺寸的增加可能導(dǎo)致合金的力學(xué)性能的降低。

（3）對(duì)于耐熱鎂合金，Al、Zn、Ni、Cu、Ca、Ce、Th、Y、Sc、Mn、Gd等合金元素都能夠在合金基體中形成強(qiáng)化相。當(dāng)合金溫度降低時(shí)，這些強(qiáng)化相因固溶度降低，而往往富集于晶粒表面和晶界處，并填充晶界處的晶格空位。這些富集物會(huì)阻礙鎂合金的晶界滑移，改善晶界附近的組織形態(tài)，從而能改善鎂合金的高溫性能和抗蠕變性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是鎂資源大國(guó)，但由于原鎂生產(chǎn)工藝落后，鎂合金開(kāi)發(fā)水平低下，鎂制品技術(shù)含量低，原鎂出口價(jià)位低、經(jīng)濟(jì)效益差，這極大地影響了我國(guó)鎂工業(yè)的健康發(fā)展。要徹底改變我國(guó)鎂工業(yè)面臨的不利局面，就必須充分提高原鎂的深加工水平，提高鎂制品的科技含量，加強(qiáng)科技創(chuàng)新，鼓勵(lì)原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出系列具有國(guó)際先進(jìn)水平的新型高性能鎂合金和先進(jìn)的鎂合金制備和成型新技術(shù)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入強(qiáng)勁的科技創(chuàng)新動(dòng)力。

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作者簡(jiǎn)介：孔凡校（1981-），男，漢族，河北邢臺(tái)人，講師，碩士。