耐热镁合金及其开发思路

耐热镁合金及其开发思路

连菊红

西北师范大学化学化工学院09级化学1班兰州730070

摘要:简述了耐热镁合金的特点和概况,介绍了合金化耐热镁合金、镁基复合材料和快速凝固镁合金3 大领域,重点分析了开发新型耐热镁合金的思路、方法与需要注意的问题,并提出了一些建议,为进一步拓宽镁合金在汽车、航天航空等领域的应用提供理论依据。

关键词:耐热镁合金;开发;思路

He a t Re s i s t a nt Ma g ne s i um All o ys a n d De vel opi n g S t r a t e gi e s

Lianjuhong

Class1.college of chemistry and chemical Engineering ,Northwest normal university ,lanzhou730070.

Abs t rac t :The characteristics and survey of heat re sistant Mg alloys were briefly reviewed , then alloying heat re sistantmagne sium alloys 、magne sium matrix compositeandrapidlysolidified magne sium alloys were introduced , finally the thought s means and existing problems of developingnew heat re sistantMgalloys were mainly analyzed andsomesuggestionswereproposed ,which provided theoretical reference for the magne sium alloystowiden their application in the automobile industry ,aerocraft and so on.

Ke y w ords :Heat re sistant magne sium alloys ; Development ; Strategie s

镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料,具有密度小、比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点,也有电磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流动性等优点,但是由于镁合金的高温性能差、蠕变强度低,限制了镁合金的应用范围。例如,对于使用温度较高、必须防止油的渗漏的发动机引擎盖等汽车、摩托车零部件,都要求镁合金具有良好的高温性能和抗蠕变性能。因此,耐热镁合金的研究与开发成为全球材料研究的主要课题之一。

1 耐热镁合金的分类

根据获得耐热性的方法不同把耐热镁合金分为合金化耐热镁合金、镁基复合材料和快速凝固镁合金3 大类。

1. 1 合金化耐热镁合金

合金化是材料强化的主要手段。目前常用的镁合金系列有Mg2Al 、Mg2Zn 、Mg2RE 系等,其中Mg2RE 系合金耐热性能最好。Mg2Al 系合金是目前牌号最多、应用最广的合系,Mg2Al 合金为基础发展的三元合有:Mg2Al2ZnMg2Al2SiMg2Al2Mn 、

Mg2Al2RE 常用系列及近期开发的Mg2Al2Ca 、Mg2Al2Sr 等系列。Mg2Zn 系合金研究较少,但近年来的研究也出现可喜的成果,有Mg2Zn2Cu 系合金的开发成功,

典型代表ZC63 和ZC62 。另外还有Mg2Zn2Al 系镁合金,如ZA102 、ZA104 、ZA144 , 但该系合金不足之处是韧性较低。目前Mg2Zn2Al 这个系列的专利耐热合金较多,如IMRA America 加钙的ZAC8506 ,U be 工业公司和现代汽车公司各自开发的加

Si 、Sr 合金Zn2Al2Si2Sr。Mg2RE 系合金主要应用在200 ℃以上的使用温度,

开发出来的有Mg2Y、Mg2Sc 、Mg2Sm 等具有良好耐热性的镁合金,稀土在镁合金中的作用除净化、除气除杂以外,还能改善合金的铸造性能、耐蚀性能和焊接性

能,提高合金的高温抗拉强度和抗蠕变能力。

1.2快速凝固镁合金

快速凝固镁合金的研究始于20 世纪50 年代,可制造更热，更耐蚀、更高强度的材料,从而使镁合金的研究开发进入一个崭新的领域。Sanchez 等系统地研究了快速凝AZ91，AZ151、AC54、ZE41、WE43、WE54 合金的室温和高温力学性能。这6 种合金都用熔融旋铸法制成薄带,再将薄带挤压成圆形试棒。在室温下,6种合金的屈服强度都很高,而在高于室温时,AZ91、AZ151、ZE41 和AC54 合金屈服强度都随着温度的升高而快速降低,不过在整个温度范围,AC54 的屈服应力都比其他几种合金高。而WE54 和WE43 直到150 ℃时,屈服强度仍保持了很高的水平(σ0. 2 > 350 MPa) 。开发高性能的快速凝固镁合金具有很大的发展空间,目前快速凝固镁合金的研究已朝着在提高强度的同时,提高韧性、耐蚀性及热稳定性的方向发展。

2 耐热镁合金的开发思路

2. 1 镁合金的蠕变及耐热原理

2. 1. 1 合金的耐热性

耐热性主要是指材料在高温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。合金的耐热性包括热强性能和热稳定性能,热强性能是指合金在高温长时间应力作用下具有一定的抵抗变形和断裂的能力,合金的蠕变强度、持久强度和高温疲劳强度均反映合金的热强性能,其中合金的蠕变强度是度量合金热强性能的重要指标。热稳定性是指合金在高温长时间作用下具有抗氧化和抗腐蚀的能力。

2. 1. 2 镁合金的蠕变

镁合金的蠕变主要是通过位错滑移和晶界滑动2 种方式进行,在室温拉伸的条件下,具有密排六方晶体结构的镁合金为基面(0 001) 滑移,只有3 个滑移系。脆性断裂为主要的断裂方式,沉淀相和晶界是位错运动的障碍,高温时,非基面的位错也可以参与运动,位错割阶、时效沉淀相和初生的弥散颗粒成为位错运动的障碍。室温时,镁合金的蠕变主要以位错的滑移为主,高温条件下,由于晶界原子不稳定,易扩散,受力时容易滑动,故其蠕变方式以晶界滑动为主。高温蠕变变形的微观机制不仅包括滑移,而且晶界参与形变,并且形变量显著,有时可以高达40 %～50 %。众所周知,在高应力作用下,六方晶格的纯镁甚至在室温下即易于发生蠕变变形,与铝合金相比,镁合金更易于发生晶界滑移。

2. 2 耐热镁合金的开发思路

2. 2. 1 从合金晶体结构的强度观点出发

耐热镁合金设计应从限制位错运动和强化晶界入手,这意味着通过以下一种或多种手段来实现提高镁合金热强性和高温蠕变抗力的目的: ①引入热稳定性高的第2 相; ②降低元素在镁基体中的扩散速率;③改善晶界结构状态和组织形态。其中, ①可以通过加入能形成稳定的金属间化合物的合金元素或直接引入弥散强化的第2 相来实现,而②、③则均可以通过适当的合金化或微合金化实现。2. 2. 2 从满足实际应用性价比出发

(1) 适应航空航天、军事国防等领域的需要,开发高性能新型耐热稀土镁合金。稀土镁合金的价格昂贵,但相对于航空航天、军事国防等一些高科技前沿领

域,RE、Zr 等元素的原材料成本和工艺成本所占的比重将大大降低。因此,应从追求高强、耐热、耐蚀等高性能的原则出发,充分发挥RE 的优良潜能,开发新型耐热稀土镁合金和相应的生产工艺。我国稀土资源丰富,占世界已探明储量的

80 %以上,借镁合金发展