21-13 新型高强耐热镁合金的设计思路

    目前工业上应用最广的镁合金是AZ和AM系合金。这些合金中Al含量较高,因此,具有优异的铸造、机加工性能和较高的室温力学性能。但是它们在温度超过120℃时蠕变强度会大幅下降,这限制了其作为汽车发动机部件和传动部件的应用。研究发现,常规AZ和AM合金蠕变强度低的主要原因是高温使用过程中,合金共晶区存在的半连续分布的低熔点、低热稳定性的Mg17Al12相变得质软粗糙;晶界附近富Al的过饱和固溶体在高温下发生层片状β-Mg17Al12相的非连续析出。镁合金的高温蠕变特点是位错攀移控制的蠕变和晶界滑移。根据耐热镁合金的高温变形特点和主要强化机制可知,耐热镁合金的设计思路应遵循晶内和晶界强化并重,减少原子扩散,限制基体内位错运动及阻止晶界滑移相结合的原则。因此,提高镁合金高温蠕变性能的措施包括：

(1)基体强化。固溶强化、弥散强化、时效析出强化

(2)晶界强化。①弥散强化。形成高熔点的细小、弥散分布的颗粒钉扎晶界。需要研究如何控制弥散颗粒的形态、尺寸及其与基体的润湿性情况。②加入某些可富集于晶界位置的表面活性元素,以填充晶界处的晶格空位,改善晶界附近的组织结构。例如,晶界处的铸造缺陷缩松等会使合金的强度,包括蠕变强度大大降低。

(3)细晶强化。晶粒大小对金属材料高温性能影响很大。当使用温度低于等强温度时,细晶粒组织有较高的强度。用于汽车工业中的镁合金部件的工作温度一般均低于等强温度。因此,通过提高冷却速率、合金化等方法细化晶粒,有可能提高镁合金部件的抗蠕变性能。但需要注意的是,过细的晶粒组织有可能降低材料的蠕变性能。

    具体到新型高强耐热镁合金的设计与开发,则有几条基本思路：

    (1)以性能为第一目标,开发完全不含Al元素的、具有优异高温性能的镁合金。按照这一思路,可用价格相对昂贵的Y、Nd、Gd、Sc、Dy等稀土元素和Ag、Zr等非稀土元素,开发如 Mg-Gd-Y-Zr、 Mg- Sc-Mn等具有极佳强化机制、优异高温性能的合金。但这些合金的成本较高,且通常不宜采用大批量、高效率的工业化生产方法,即压铸法生产。因此,上述合金的应用领域主要限制在航空和军工等领域,动力系统是潜在的应用市场,难以在汽车工业中大量应用。

    (2)兼顾性能和成本,在Mg-Al系合金的基础上进行合金化或微合金化处理,研制高性能、低成本的耐热镁合金。在选择合金化元素时应遵循以下原则:合金元素价格相对较低;合金元素与Al的亲和力大,抑制Mg17Al12相的形成形成新的熔点和热稳定性高的第二相;降低空位和溶质原子在镁中的扩散速率；具有高的表面活性以填充晶界处的晶格空位,改善晶界附近的组织结构。符合上述条件的合金化元素主要包括轻稀土(如La、Ce等)、碱土(Ca、Sr等)和Sn、Si、Sb等金属元素。这些合金一般适合压铸法,在汽车行业、电子工业等民用领域具有广阔的应用市场。

    (3)其他类型合金。总体思路是在晶界上引入第二相粒子钉扎晶界以防止滑移,在基体内引人稳定的弥散粒子或低扩散速率的溶质,使其基体中的空位和原子扩散速率减缓。

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