高强度镁合金的研究现状及发展_张崧

高强度镁合金的研究现状及发展

张崧1,唐建新2,冯可芹2,刘峰2

(1.武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉430070; 2.四川大学制造科学与工程学院,四川成都610065)

摘　要:从稀土元素合金强化、镁基复合强化和快速凝固粉末冶金法等三个方面,阐述了现阶段高强度镁合金的研究现状及其侧重方向,对各自的强化机理作了分析,就存在的问题作了总结。

关键词:镁合金;高强度;稀土;复合;快速凝固

中图分类号:T G146.2+2 文献标识码:A 文章编号:1001-3814(2004)08-0052-03

Current Situation and Trend of Reseach on High Strength Mg Alloy

Z HANG So ng1,TANG Jian-x in2,FENG Ke-qin2,LIU Fe ng2

(1.College of M ech.&Elec.Eng.,W uhan U niv er sity of Science and T echnology,W uhan430070,China;

2.Colleg e of M anuf actur e S ci.and Eng.,Sichuan Univ er sity,Chengd u610065,China)

Abstract:T he cur r ent situatio n and t rend of the resear ch on the high str ength M g-allo y fr om three aspects,that is,allo y str eng thened by rar e-ear th,composite str engthen M g-allo y wer e expatiated base and R S/PM,and the streng th-ened r easo n abo ut each aspect w ere analyzed and their pro blems in ex istence w as summarized.

Key words:M g-alloy;hig h streng th;r are-eart h;composit e;RS/PM

　镁合金是最轻的实用金属材料,密度仅为1.35～

1.8g/cm3,具有高的比强度和比刚度,很好的抗磁性,高的电负性和导热性,良好的消震性和切削加工性能[1,2]。但是镁合金的强度总的来说均低于铝合金,此外,高温性能差也是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一,当温度升高时,它的强度和抗蠕变性能大幅度下降,大大限制了其应用。所以提高镁合金的室温强度和高温强度是镁合金研究中要解决的首要问题。目前国内外主要从稀土元素合金强化、镁基复合强化和快速凝固粉末冶金法等方面进行研究,以期提高镁合金的室温强度和高温强度。

1　添加稀土元素强化镁合金

在镁合金中,稀土元素具有提高合金高温强度及抗高温蠕变性能和改善铸造性能的作用[3,4],因而从上世纪70年代就开始了添加稀土元素强化镁合金的广泛研究和应用。如20世纪70年代,Petter son G提出在Mg-Al合金中加RE,得到了较好的效果[1,5]。后来, DOW化学公司开发了实用的AE42合金[6]。90年代有研究指出[7～9],在M g-Al合金中加入1%左右的RE 会形成含RE的化合物,如Al14RE,Al11RE3或Al2RE 相,而没有发现M g-RE相或M g-RE-Al相化合物,说明在RE加入量较少时,稀土与镁难以结合生成化合物,但由于RE与Al结合生成RE-Al化合物,减少了Al形成低熔点相M g17Al12的数量,有利于提高M g-Al-RE合金的蠕变性能因此具有很高的热稳定性[5]。

又如U nsw orth Wm等[10]对M g-8%Zn-1.5%RE 铸态组织进行的研究结果表明,含RE的M g-Zn合金中会产生高稀土含量的M g-Zn-RE三元相。M g-Zn-RE合金具有明显的时效硬化特点,且在20h后才出现硬度峰值,说明RE具有推迟过时效作用。

再如有人[11]在M g-8%Li合金中分别加入1%～2%的La、Ce、N d,经过一定的均匀化处理后,组织中的 相细化,并产生M g17La2、Mg17Ce2(或M g12Ce)及M g3Nd等稀土镁化合物。由于这些化合物具有较高的硬度,因此使合金的硬度及强度提高。加RE还可以提高Mg-Li合金的再结晶温度[12],并促进M g-Li合金的时效硬化。

将稀土元素作为主要合金元素而研发出的一系列镁合金,已广泛地应用于航空、导弹和汽车工业[13]。其中典型的镁合金牌号如表1所示。

表1　典型稀土镁合金成分(质量分数,%)及应用牌号RE Zr Y Nd Al Zn Ag M n M g应用

AE42 2.0 4.0 0.3其余汽车动力系统

E K41 3.50.6 0.4 其余

EZ33A 3.00.62.5 其余

QE22A 2.20.62.5 其余

航空发动机WE54 3.20.55.1 其余

WE43 1.00.54.02.5 其余

汽车、导弹 由于资源和成本的原因,目前主要以稀土Ce或稀土Y或富Ce混合稀土的形式加入镁合金。

稀土Ce在M g-Al系合金中,首先与Al形成化合

52 REVIEW Hot W orking Technology　2004No.8

收稿日期:2004-05-24

作者简介:张崧(1954-),男,湖北武汉人,讲师,从事金属材料研究。

物Al11Ce3,且分布于 -M g晶界处[4]。Al11Ce3熔点为1 200℃,在 -M g中的最大固溶度仅为0.5%[1],因而它是一种耐高温的稳定相;同时由于消耗了一定的Al 而减少了高温软化 相(Al12Mg17)的生成量,随着Ce 的加入量增加, 相在晶界的连续性逐步减弱并有粒化的趋势[14]。而Ce在M g-RE系合金中则以共晶相M g12Ce存在,其共晶点为560℃,且该相也为高温硬化相,同样分布于 -Mg晶界处;它们在晶界处不仅能阻止晶粒长大,而且还阻止了高温下晶界迁移和减小扩散性蠕变变形[15]。通过上述两方面的作用,明显地提高了镁合金的高温强度及其高温稳定性,并随着Ce 含量的增加,镁合金的高温性能也进一步增加,当Ce 含量达到0.8%时,高温性能达到最佳状态,其使用温度可达到250℃。

稀土元素Y与镁一样,同样具有密排六方晶体结构,原子半径相近,Y在镁基固溶体中具有12.0%的固溶度;在室温条件下,M g与Y以M g24Y5高温强化共晶相化合物形式弥散分布于 -Mg晶内和晶界处。所以M g-Y合金具有很显著的时效硬化特性,时效温度一般在200℃左右[16],时效过程分为 ″→ ′→ (M g24Y5)三个时期[17,18]。一方面,M g24Y5分布在 -M g晶内,可以弥散强化基体;另一方面,Mg24Y5分布于晶界,可以阻止晶界滑移,强化晶界,进而能有效地提高镁合金的高温强度和抗高温蠕变性能。近年来,Y 对镁合金的有利作用越来越受到人们的重视,并将M g-Y系合金视为很有发展潜力的一类耐高温合金。

其它的稀土元素还包括La、Pr、Nd、Gd、Dy等,同样也被应用于镁合金之中[19]。其中Nd的作用尤为优良,由于其最大固溶度为3.6%,远大于Ce的固溶度1.6%,以Mg12Nd高温稳定共晶相存在,所以其表现与Ce不尽相同,它不仅能提高镁合金的高温强度,而且还能提高室温强度。由于上述原因,人们又开发出了一些多元的稀土镁合金如:M g-Y-Nd-Zr合金,室温强度和抗高温蠕变性能都比其它镁合金高些,使用温度可达300℃。稀土Gd、Dy的原子半径与镁的更为接近,所以它们在镁中的固溶度更大,分别为23.5%和25.8%,且随温度的降低而降低,具有比Y更高的时效硬化特性,其中尤以Gd为甚[20]。而La的作用最弱。

由于稀土资源的原因,对大部分稀土元素还缺乏广泛的研究和应用。我国盛产富Ce和富Pr的混合稀土,对它们予以开发应用是我国镁合金发展的主要方向之一。

2　镁基复合材料

以镁合金为基材来制作复合材料所选增强体通常要求物理化学相容性好且避免增强体和基体合金之间界面的不利反应。增强体的不同,其界面反应所起的作用也不同,例如A l2O3会与M g发生置换反应生成M gO化合物,降低界面的润湿性和结合力,所以镁基复合材料中较少采用A l2O3短纤维、晶须或颗粒作为增强体[2]。

目前镁基复合材料所采用的增强体主要为SiC、B4C、ZrO2或石墨的纤维、晶须、颗粒等。增强体在镁合金中的存在,增加了材料内部的界面面积,加强了晶界的强化作用且细化了 -M g基体晶粒;由于增强体与镁基体的热膨胀系数相差较大,在复合材料的冷却过程中,界面处及近界面处将存在热错配残余应力,引起基体的塑性流变,产生高密度位错,起到位错强化的作用[2]。通过以上的强化机理,镁基复合材料便能比镁合金具有更高的室温强度、硬度、弹性模量和抗磨性。

据文献[21]报道:通过挤压铸造制备的含SiC晶须(体积分数为20%)的SiC w/AZ91D镁基复合材料,经过410℃×2h的固溶处理,然后在170℃进行5h的时效处理,其室温抗拉强度达到了392M Pa。许多研究者研究了SiC与镁合金基体之间的界面反应,在复合材料的制造过程及高温固溶处理(500℃×12h)中都没有发现任何不利的界面化学反应[22～24]。由此可见, SiC晶须或颗粒是镁基复合材料合适的增强体。但是到目前,镁基复合材料的高温强度并未得到显著提高。

研究[25]发现B4C与纯镁不反应,但B4C颗粒表面的玻璃态B2O3与M g能够发生界面反应可使液态M g 对B4C颗粒的润湿性增加,所以这种反应不但不降低界面结合强度,反而可使复合材料具有优异的力学性能。

近几年有研究表明[26]:将纳米级的SiC、ZrO2颗粒加入到镁合金中,能通过弥散强化作用明显提高复合材料的室温和高温强度,如:含有体积分数为3%的平均粒径为14nm的SiC/镁基复合材料,在100℃时的抗拉强度为180MPa,室温抗拉强度为320M Pa。

由上可见,现有的镁基复合材料的强度虽有明显提高,但其结果仍不尽人意,究其原因是基体材料的强度太低。如果基体材料的力学性能能够得到一定的提高,再附以复合强化手段,那么就有希望研发出高强度的镁基复合材料。

3　RS/PM高强度镁合金

快速凝固粉末冶金(RS/PM)法是近十年发展起来的材料制备新工艺,包括快速凝固制备粉末和粉末固化成形两部分,其中快速凝固制粉技术是镁合金晶粒细化的关键。由于快速凝固制粉设备能提供非常快

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《热加工工艺》　2004年第8期综　述