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《銷售經(jīng)理學(xué)院》56套講座+14350份資料《銷售人員培訓(xùn)學(xué)院》72套講座+4879份資料新型抗蠕變鎂合金的研究①盧志文①汪凌云①范永革①黃光勝①（重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院43004413048405178lzw662002@）摘要：提高鎂合金的抗蠕變性能，對(duì)擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。本文討論了抗蠕變鎂合金的要緊合金系：Mg-Y、Mg-Sc和Mg-Gd，探討了鎂合金蠕變機(jī)理和提高抗蠕變性能的途徑。在分析可能提高抗蠕變性能的鎂合金系的基礎(chǔ)上，指出以稀土元素為要緊添加元素，研制四元或超四元合金（Mg-Mn-Gd-Sc、Mg-Mn-Y-Sc、Mg-Mn-Y-Gd-Sc等）,具有重要有用價(jià)值。引言鎂合金具有一系列優(yōu)良性能如：比重小、比強(qiáng)度和比剛度高、切削加工性能良好、電磁屏蔽性能良好和減震性能良好等，且鎂的資源豐富，易于制取，其應(yīng)用愈來(lái)愈普遍，不僅在航空航天領(lǐng)域，而且在汽車和便攜娛樂(lè)電子電器領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。據(jù)介紹，歐洲和北美洲的汽車制造商提出到2010年，要是燃料消耗降低25%，CO2的排放量降低30%，以減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)進(jìn)展[1]。然而，鎂合金的熔點(diǎn)一般在470～6500C之間，其高溫性能較弱，尤其是變形鎂合金，剛性低，活性高，易于反應(yīng)腐蝕；假如在1800C以上的溫度環(huán)境工作，一般鎂合金是不能滿足需要的，必須對(duì)成分、組織加以改進(jìn)，以其改善其性能。圍繞提高鎂合金的高溫性能，世界各國(guó)都紛紛制定研發(fā)打算，提高鎂合金的高溫性能，提高其抗蠕變性能，研制新型鎂合金滿足不斷增長(zhǎng)的工業(yè)需要。在抗蠕變鎂合金研究方面，一方面在AZ系、AM系和AS系基礎(chǔ)上，適當(dāng)添加合金元素，以改進(jìn)其性能，另一方面，開(kāi)發(fā)新的合金系，提高高溫性能，研制新型抗蠕變鎂合金。1鎂合金蠕變特點(diǎn)1.1鎂合金蠕變機(jī)理蠕變是一個(gè)高溫條件下緩慢的塑性變形過(guò)程，與常溫拉伸過(guò)程相比，在微觀機(jī)制上不僅滑移系增移而且還有晶界滑移。依照VonMises準(zhǔn)則，多晶體材料產(chǎn)生塑性變形并在晶界上仍保持其完整性，每個(gè)晶粒必須至少有五個(gè)獨(dú)立的滑移系。鎂合金是密排六方晶體，只有四個(gè)獨(dú)立的滑移系，但在蠕變過(guò)程中晶界滑移將提供另外兩個(gè)有效的滑移系。現(xiàn)在滿足VonMises準(zhǔn)則。由于鎂合金滑移系專門少，因此殘留的晶界位錯(cuò)將有專門大的Buregrs矢量，在晶界處的應(yīng)變水平將專門高，在高溫應(yīng)力作用下鎂合金比鋁合金更容易產(chǎn)生晶界滑移[2]。鎂合金的蠕變機(jī)理分為兩個(gè)時(shí)期，低溫下以位錯(cuò)攀移為主，高溫條件下以晶界滑移為主[3]。據(jù)MihribanO.Pekguleryuz等研究，鎂合金蠕變的機(jī)理如圖1所示。圖1鎂合金蠕變機(jī)理示意圖1.2鎂合金蠕變性能的提高途徑依照鎂合金的蠕變特點(diǎn)和機(jī)理，提高鎂合金蠕變性能的途徑要緊有基體強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化[2，6]。1.2.1基體強(qiáng)化提高鎂合金基體高溫蠕變性能的要緊途徑有固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是通過(guò)在合金中加入溶質(zhì)元素提高其均勻化溫度和彈性模量，減慢擴(kuò)散和自擴(kuò)散過(guò)程，降低了位錯(cuò)攀移的速率，因而合金的高溫蠕變性能提高。析出時(shí)效強(qiáng)化是在時(shí)效過(guò)程中合金元素的固溶度而降低時(shí)形成散布的析出相，析出相與滑移位錯(cuò)之間的交互作用導(dǎo)致了合金的屈服強(qiáng)度提高。由于鎂原子較大，通常形成與鎂基體非共格的復(fù)雜析出相。這些相的界面能專門高，在高溫下易粗化，難以對(duì)晶界起有效的釘扎作用。因此，提高鎂合金耐熱性的關(guān)鍵是改善析出相的晶體結(jié)構(gòu)以降低它與鎂基體點(diǎn)陣常數(shù)錯(cuò)配度并提高其熔點(diǎn)以降低其擴(kuò)散性。彌散強(qiáng)化因彌散相具有專門高的熔點(diǎn)并在基體中溶解度專門小，其強(qiáng)化溫度大大提高。據(jù)報(bào)道加拿大的ITM已在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)了兩種彌散強(qiáng)化的鎂合金[2]。1.2.2晶界強(qiáng)化晶界處因晶格缺陷較多使原子擴(kuò)散遷移速度加快，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度降低。強(qiáng)化晶界的措施有：（1）在晶界處形成大量細(xì)小析出硬化相；（2）增大晶粒尺寸以增大原子擴(kuò)散距離，但依照Hall-Petch效應(yīng)，增大晶粒尺寸會(huì)降低合金的力學(xué)性能；（3）加入富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界處的晶格空位、改善晶界附近的組織形態(tài)。已發(fā)覺(jué)表面活性元素如Ce、Ca、Sr、Ba和Sb能改善鎂合金的高溫性能[4]。依照二元鎂合金的力學(xué)性能，合金元素Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th、Y、Sc、Mn、Gd等能夠形成強(qiáng)化相，阻礙晶界滑移，從而強(qiáng)化鎂合金，提高高溫性能，提高抗蠕變性能[2,4,5]。2新型抗蠕變鎂合金據(jù)資料介紹，AZ系、AM系和AS系的低溫下力學(xué)性能良好，具有一定的抗蠕變能力，但當(dāng)溫度超過(guò)1500C后，性能惡化，不能滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件和航空航天的用途[3]，為此，在分析鎂合金系的基礎(chǔ)上，在鎂與稀土元素合金上尋求出路，以下介紹幾種新型抗蠕變鎂合金。2.1Mg-Y系合金[4]Mg-Al系合金由于高溫的不穩(wěn)定性，促使添加稀土元素以改善高溫性能，這方面的研究能夠追溯到60年往常。研究表明，Y在鎂中的溶解度比Ce、Eu等較高，能夠形成強(qiáng)化相，產(chǎn)生G-P區(qū)的強(qiáng)化效果。B.L.Mordike等在研究了不同Y含量時(shí),Mg-Y系合金的性能變化，并給出了描述蠕變性能變化關(guān)系式。 =Aσnexp(-Qc/RT)式中：A：常數(shù)；σ：應(yīng)力；n：應(yīng)力指數(shù)；Qc蠕變激活能；R：氣體常數(shù)；T：絕對(duì)溫度；：蠕變速率 表1Mg-Y系合金的蠕變性能對(duì)比表圖2典型鎂合金2000C時(shí)加載100h,產(chǎn)生0.2%塑性變形的強(qiáng)度對(duì)比圖B.L.Mordike在研究Mg-Y-Zn-Nd-Zr、Mg-Zn-Y、Mg-Y-Zr等合金系性能特征后，給出圖2所示的幾種典型鎂合金2000C時(shí)加載100h,產(chǎn)生0.2%塑性變形的強(qiáng)度。發(fā)覺(jué)合金元素釔,強(qiáng)化效果較好，并指出WE合金系是比較理想的開(kāi)發(fā)抗蠕變合金的差不多合金系，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)變形強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化和微合金化來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)抗蠕變性能。我國(guó)北京航空材料研究所研制的ZM6、ZM9等高溫抗蠕變鎂合金，就含有較多成分的Y、Zn等元素。ZM9合金制造的零件在3000C下工作，性能接近含釷的HZ32A，但沒(méi)有放射性，性能優(yōu)異[11]。2.2Mg-Sc合金系[4，8]金屬鈧作為鎂合金強(qiáng)化元素有以下因素：（1）鈧能夠增加鎂合金的熔點(diǎn)；（2）與其他稀土元素相比，鈧具有更高的熔點(diǎn)(15410C),在鎂合金中的擴(kuò)散能力相對(duì)較低,其強(qiáng)化作用顯著；（3）鈧的密度為3g.cm-3,比其它合金元素的密度小,更能體現(xiàn)鎂合金低密度的特點(diǎn)；（4）與其他外加合金元素一起能夠形成鎂、鈧和復(fù)雜的合金化合物強(qiáng)化相，改善合金的室和氣高溫性能。依照?qǐng)D3所示Mg-Sc合金相圖可知，低溫下鈧在鎂中的溶解度專門低，圖3Mg-Sc合金相圖通過(guò)配置一定含量的鈧的鎂鈧合金，以幸免大量的β-Sc相出現(xiàn)，便于合金的時(shí)效強(qiáng)化。依照B.L.Mordike的研究表明，簡(jiǎn)單的二元鎂鈧合金的抗蠕變性能比WE43合金差，必須與其他元素一起產(chǎn)生復(fù)合強(qiáng)化。加入錳以后，能夠生成Mn23Sc6或Mn2Sc強(qiáng)化相。在研究了合金Mg-Sc-Mn、Mg-Sc-Ce-Mn-Zr等合金的性能后，發(fā)覺(jué)MgScMn合金的抗蠕變性能在3500C時(shí)，比合金WE43高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。那個(gè)地點(diǎn)需要指出的是，金屬鈧價(jià)格昂貴，不利降低零件成本。德國(guó)學(xué)者F.vonBuch等[8]指出，在Mg-Sc合金中加入適量的Mn、Gd|、Y等元素，以降低Sc的用量，發(fā)覺(jué)合金MgMnGd5Sc0.8的抗蠕變性能較為理想；同時(shí)，合金MgMnY5Sc0.8的抗蠕變性能亦較為理想。前者的強(qiáng)化相為Mn23Sc6和GdMg5，后者強(qiáng)化相外為Mn23Sc6、Mg24Y5和Mn12Y等。2.3Mg-Gd合金系在鎂合金中加入鎘的緣故與加入鈧相近，鎘能夠提高鎂合金的熔點(diǎn)，提高抗蠕變性能。在Mg-Gd合金中加入其他合金元素，如：鈧、錳、釔等元素能夠大大提高鎂合金的性能。B.L.Mordike研究了簡(jiǎn)單Mg-Gd二元合金與WE43、QE22等合金的性能比較，發(fā)覺(jué)Mg-Gd合金的抗蠕變性能大大高于其他合金，同時(shí)隨著鎘含量的增加，抗蠕變性能愈增加。圖4表示了這幾種合金的蠕變性能的比較[4]。圖4Mg-Gd合金與幾種合金的蠕變性能比較3結(jié)論（1）隨著鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)鎂合金的高溫性能、抗蠕變性能要求愈來(lái)愈高，必須在傳統(tǒng)的高溫鎂合金的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研究新型鎂合金。稀土元素的應(yīng)用大大提高了其抗蠕變性能，稀土元素Y、Sc、Gd等與Mn等元素能夠形成強(qiáng)化相，阻礙合金晶界交叉滑移。（2）單一稀土元素加入，其強(qiáng)化作用并不顯著，需要三元甚至四元以上合金，使形成金屬間化合物的強(qiáng)化相，起到強(qiáng)化作用。（3）我國(guó)是鎂、稀土資源大國(guó)，與世界其他國(guó)家相比，在高溫鎂合金和抗蠕變鎂合金的研究領(lǐng)域有成果，但亦有差距，必須加快工作步伐，實(shí)現(xiàn)由資源優(yōu)勢(shì)為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，由原材料加工為主為生產(chǎn)近終型精產(chǎn)品為主，不斷擴(kuò)展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域，不斷提高資源的利用效益。參考文獻(xiàn)：1B.Bronfin,1E.Aghion,F.vonBuchMRI153–ANEWLYDEVELOPEDALLOYFORHIGHTEMPERATUREAPPLICATIONS網(wǎng)絡(luò)資料2王渠東，曾小勤，呂宜振，丁文江.造鎂合金的研究與應(yīng)用.材料導(dǎo)報(bào)，2000年3月，第4卷：第三期21～233MihribanO.PekguleryuzNorandaTechnologyCenteDEVELOPMENTOFCREEPRESISTANTMAGNESIUMDIECASTINGALLOYS—ANOVERVIEW網(wǎng)絡(luò)資料4B.L.MordikeCreep-resistantmagnesiumalloys_MaterialsScienceandEngineeringA324，2002，103～1125B.L.MordikeDevelopmentofhighlycreepresistantmagnesiumalloysjournalofMaterialsProcessingTechnology，117(2001)，391～3946袁廣銀.鉍和銻對(duì)鎂鋁基合金顯微組織和力學(xué)性能的阻礙[D]，1999，南京：東南大學(xué),1～587于化順，高瑞蘭.Mg-Li合金及復(fù)合材料的抗蠕變性能.特種鑄造及有色合金，2