耐熱鎂合金是一種具有高溫性能的金屬材料,因其輕量、高強度、高耐熱性、低密度等優點而廣泛應用于航空航天、汽車、電子、船舶等領域。
在航空航天領域,耐熱鎂合金主要用于制造發動機部件、航空發電機等。由于耐熱鎂合金具有高溫強度、耐腐蝕性好、密度低等優點,可以提高發動機的工作效率,降低重量,使得航空器的綜合性能得到顯著提高。
此外,由于生產成本較高、加工難度大等因素,耐熱鎂合金的市場競爭力也較弱。
未來,隨著科技的不斷發展和進步,耐熱鎂合金的應用前景仍然十分廣闊。
一方面,可以通過不斷優化合金的成分和制備工藝,進一步提高耐熱鎂合金的力學性能和耐腐蝕性能,拓展其應用范圍。
另一方面,隨著新材料、新工藝的涌現,耐熱鎂合金可能會面臨新的挑戰和機遇。
在航空航天領域,耐熱鎂合金的應用前景十分廣泛。隨著航空航天業的不斷發展,對材料性能的要求也越來越高。
耐熱鎂合金的制備工藝相對復雜,成本較高,且其在高溫、高應力環境下容易發生蠕變和疲勞破壞,需要不斷優化材料設計和制備工藝。
綜上所述,耐熱鎂合金具有廣泛的應用前景和潛力,可以用于提高航空航天、汽車、電子、船舶等領域的產品性能和可靠性。
隨著科技的不斷發展,相信耐熱鎂合金的應用領域和性能還會得到更進一步的提升和完善。未來,我們可以看到更多基于耐熱鎂合金的高溫結構材料和零部件的研發和應用,以應對高溫環境下的各種挑戰。
上世紀三十年代發現稀土元素(Ce)可以提高鎂合金的強度,隨后在傳統壓鑄Mg-Al系的基礎上發展了Mg-Al-RE,但到本世紀初,綜合性能好的AE42合金的服役溫度仍低于150 oC。為了能在耐熱性能方面有所突破,研究者們開始開發新的體系。但壓鑄鎂合金開發的難點在于要求合金體系具有良好的鑄造性能,且合金在鑄態不經熱處理時要獲得更好的高溫力學性能。
Moreno等在Mg-Al系外開發出了Mg-RE系鎂合金,并成功制備MEZ (Mg-2.5RE-0.35Z)等合金。相比于AE42,MEZ在更高溫度、更高應力 (175 oC, 80~100 MPa)條件下具有更高的蠕變抗力。隨后在對MEZ合金的研究中發現,不同的RE元素(如La, Ce, Nd)由于固溶度不同,對合金蠕變性能的影響也不同。Nd元素由于固溶度較大,在蠕變過程中形成了彌散的動態析出相而提升了合金的蠕變性能。基于此,在MEZ的基礎上通過添加一定的Nd得到了AM-HP2+(Mg-La-Ce-Nd-Zn)合金,該合金在150 ~200 oC具有更優的蠕變性能,但是,這兩種合金的塑性和強度較低,因此并未得到應用。
隨著AE系合金性能提升瓶頸的出現以及相關基礎理論的完善, Mg-RE體系的壓鑄耐熱鎂合金再次被研究者們關注。MURAYAMA的研究表明,HCP結構的鎂合金比FCC結構的鋁合金的抗蠕變潛力更高,但實際發現鎂合金的抗蠕變性能普遍要比鋁合金差,因此認為Mg-Al系鎂合金抗蠕變性能差是由合金中的Al元素導致的。其次,Mg-Al系室溫或高溫下難以避免的出現Mg17Al12低熔點相也抑制了Mg-Al合金的服役溫度。此外,溫度升高時Al在Mg中擴散速率快,大大促進了蠕變的發生,壓鑄Mg-Al合金的發展遇到了瓶頸,難以突破175 oC。
后來,GAVRAS[56]成功制備了一系列Mg-La系鎂合金,在Mg-La的基礎上分別添加Nd、Y和Gd,結果表明,含Y和Gd更有利于蠕變性能的提升。HUA[4]在Mg-La系的基礎上,通過添加Y以提高塑性,Zn以提高鑄造性能而得到了ZLaW423 (Mg-4Zn-2.3La-2.7Y)壓鑄合金,該合金通過晶界相的連通而分散了Mg基體的受力,使合金獲得了較高的壓縮性能。由于壓鑄鎂合金沒有明顯的織構,因此認為壓縮與拉伸狀態下合金的屈服強度沒有明顯的區別。Bai等成功制備了含網狀LPSO相的Mg-Y-Zn合金,相比于AE44,室溫下具有更的性能,200 oC高溫拉伸性能與蠕變性能尚待報道。
表8是典型壓鑄Mg-RE合金的高溫拉伸(ZLaW423為壓縮)性能與蠕變性能。可以看出,典型的AM-HP2+合金屈服強度隨溫度變化小,約為7%,說明了該合金組織穩定性好,同時相比于AE44具有更高的蠕變抗力。Mg-0.48La-1.18Y合金的蠕變性能與AM-HP2+相當,177 oC時的強度更高。ZLaW423合金壓縮屈服強度較高,但由于缺少拉伸與蠕變性能,因此還需要進一步的探究才能進行更全面的對比。但典型AM-HP2+合金室溫強度及各溫度下伸長率相比于AE44明顯偏低,因此基于Mg-RE系的研究需要在保持其良好蠕變性能的同時提升其強度及塑性。
壓鑄耐熱鎂合金經歷了從Mg-Al系到Mg-RE系的發展。Mg-Al系合金具有良好的鑄造性能和室溫力學性能,以AZ和AM系為主的合金一直是商用壓鑄鎂合金的,因此壓鑄耐熱鎂合金的發展也是以Mg-Al系為基礎。AZ和AM系列合金室溫下的主要強化相Mg17Al12在120 oC以上會粗化軟化,因此AZ及AM系列合金的使用溫度低于120 oC。基于Mg-Al系壓鑄耐熱鎂合金的發展思路是減少或抑制低熔點相Mg17Al12的形成,同時生成其他熱穩定性良好的晶界第二相以釘扎晶界。經過大量的研究,Mg-Al系中添加Si、Ca、Sr元素可以抑制Mg17Al12的生成,同時形成熱穩定性良好的Mg2Si、Al2Ca、Al4Sr等晶界相釘扎晶界,提升合金的使用溫度。但當溫度150 oC時,這些合金系中再次析出Mg17Al12而惡化其高溫力學性能。Mg-Al中添加RE元素使得壓鑄耐熱鎂合金的發展取得一定的突破,典型合金AE44中生成熱穩定性良好的Al11RE3,一方面消耗Al以抑制Mg17Al12的生成,另一方面Al11RE3具有良好的熱穩定性,使得AE44合金的服役溫度達到175 oC。當溫度175 oC時,其拉伸性能和蠕變性能惡化,目前原因尚存在爭議。Mg-Al系由于Al的存在而容易生成低熔點相,同時Al在Mg中快的擴散速率加快蠕變的發生,因此壓鑄耐熱鎂合金的發展在Mg-RE系內進行了嘗試。目前嘗試開發的Mg-RE合金均不含低熔點相,具有良好的組織穩定性,因而蠕變性能有所提升,但強度和塑性等綜合性能尚不能與AE44抗衡。
Mg-Al系合金經過幾十年的發展,至今性能好的AE44使用溫度仍不超過175 oC。Mg-Al系壓鑄耐熱鎂合金性能提升遇到瓶頸,認為Al是影響其性能提升的主要因素,因此不含Al元素的Mg合金具有較大的發展潛力。合適的Mg-RE系適于壓鑄,因而成為新型的壓鑄鎂合金體系。Mg-RE合金不含典型的低熔點相Mg17Al12,具有良好的組織穩定性,易得到高的蠕變抗力。RE中的Y等元素能夠降低位錯的激活能,從而有效提升合金室溫及高溫塑性,解決Mg-RE系合金塑性問題。壓鑄Mg-RE系三元合金中可以形成性能良好的第二相,如網狀LPSO相,一方面該相熱穩定性良好,能在高溫下穩定的能釘扎晶界;另一方面,LPSO具有良好的強度和韌性,在晶界形成強韌性良好的骨架結構,實現類似于復合材料的強化機理,從而很大程度提升合金的高溫性能。因此在壓鑄Mg-RE合金的研發過程中,具有良好鑄造性能、含網狀LPSO相的Mg-Y體系的合金有著很大的發展潛力。
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