（材料加工工程专业论文）am80casr碱土耐热镁合金研究.pdf

硕上学位论文 摘要 镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、良好的机加工性能等优点，是近年 来汽车、电子等行业首选的金属结构材料。但在开发应用高强、耐热镁合金的过 程中常出现性能和成本上的诸多矛盾和障碍。因此，降低成本并提高耐热性则成 为镁合金领域研究的关键。 本文以m g a 1 系合金中的a m 8 0 为基体，廉价的碱土元素c a 和s r 为合金化 添加剂，利用金相显微镜、x 射线衍射仪、扫描电子显微镜、差热分析仪及电子 万能力学试验机等研究了a m 8 0 c a s r 系合金的最佳铸造工艺参数，并重点研究 了x c a 和y l y 4 s r 对a m 8 0 合金组织、性能和时效行为的影响。 研究发现，在当前试验条件下，浇注温度和模具预热温度分别为7 4 0 和2 5 0 时，采用底注式浇注方式铸制a m 8 0 c a s r 系合金，可降低缩孔、缩松及氧化 物夹杂等缺陷的程度，获得较细的晶粒组织，提高合金的力学性能。 添加x c a 可细化a m 8 0 合金组织，使晶粒尺寸由1 0 9 6 9 m 降至6 4 8 i t m ；继 续添加y l y 4 s r ，y l s r 会粗化合金晶粒，当s r 由y 2 增至y 4 时，合金的晶粒尺寸 又逐渐降至6 5 8 9 m 。x c a 可与a l 结合在a m 8 0 合金晶界处析出类似骨骼状的 a 1 2 c a 高熔点相，抑制低熔点p m g l 7 a 1 1 2 相的析出；继续添加y i 一y a s r ，a 1 2 c a 相 逐渐变为小块状或条状，弥散分布在晶界处，y 4 s r 使合金晶界处的二次相又呈网 状分布，y l y 4 s r 会逐渐增加a l 在基体的固溶度，进一步抑制p m 9 1 7 a 1 1 2 相的析 出。 室、高温( 2 5 。c 和1 7 5 。c ) 条件下，添加x c a 会降低a m 8 0 合金的总体拉伸性 能；继续添加y l y 4 s r ，合金的总体拉伸性能先降后升再降，其中，a m 8 0 x c a y 2 s r 合金性能较优，其室、高温抗拉强度分别为1 7 3 m p a 和1 6 0 m p a ，延伸率分别为 5 2 和8 2 。2 0 0 5 6 m p a 条件下，添加x c a 可大幅提高a m 8 0 合金的抗蠕变 性能；继续添加y 1 y 4 s r 后，合金的抗蠕变性能总体持续上升，其中，a m 8 0 x c a y 4 s r 合金的蠕变性能在本试验合金系中最优，其稳态蠕变速率和1 0 0 h 蠕变量分别降至 1 7 1 0 4 s 。1 和0 8 。但是，a m 8 0 x c a y 3 s r 合金的抗蠕变性能却突然大幅恶化， 该现象可能与合金组织中二次相呈长条状分布，导致晶界强度降低和过度应力集 中有关。 x c a 和y 2 s r 阻碍了a m 8 0 合金时效初期p 相的非连续析出，抑制了合金的时 效进程，使合金可时效强化性降低，但却能提高合金组织的热稳定性。 关键词：a m 8 0 镁合金；c a s r 合金化；变质作用；组织演变；蠕变 a m 8 0 c a s r 碱土耐热镁合会研究 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e nc o n s i d e r e da st h ek i n do fc o m p e l l e n tm e t a l l i c s t r u c t u r a lm a t e r i a l si nt h ef i e l do fa u t o m o b i l e ，e l e c t r o ni n d u s t r ya n ds oo n ，b yr i g h to f t h e i rl o wd e n s i t y ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，g o o dm a c h i n i n gp r o p e r t i e se t c h o w e v e r , t h e r ea r ea l w a y sm u c hc o n f l i c t sa n do b s t a c l e so nd e v e l o p p i n ga n du s i n g h i g h s t r e n g t ha n dh e a t r e s i s t e n tm a g n e s i u ma l l o y s s o ，r e d u c i n gc o s t sa n di m p r o v i n g h e a tr e s i s t e n c ew i l lb et h ek e yp o i n t si nd e v e l o p p i n gm a g n e s i u ma l l o y s i nt h ep r e s e n tw o r k t h ee f f e c t sa n d m e c h a n i s m so ft h ea l k a l i n e e a r t h e l e m e n t s ( x c aa n dy l - y 4 s r ) o nm i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n da g e i n gb e h a v i o ro f a m 8 0 o ft h em g a 1s e r i e sa l l o y sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，x r a yd i f r a c t o m e t e r , d i f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ，e l e c t r o n i c u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e ，e t c i na d d i t i o n ，t h ea u t h o rh a sa l s oo p t i m i z e dt h ec a s t i n g p r o c e s sp a r a m e t e r so f a m 8 0 一c a - s ra l l o y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea m 8 0 c a s ra l l o yh a dm i n i m u ms h r i n k a g ea n do x i d e i n c l u s i o nd e f e c t sa sw e l la ss m a l lg r a i ns i z e ，s h o w i n ga m e n d a t o r yt e n s i l ep r o p e r t i e s w h e nt a k i n gt h eb o t t o m f i l l i n gf o u n d r yw a y , t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dm o l d p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ew e r e7 4 0 0 ca n d2 5 0 。c ，r e s p e c t i v e l y x c aa d d i t i o n sr e f i n e dt h em i c r o s t r u c t u r eo fa z 8 0a l l o y , m a k i n gt h eg r a i ns i z e d e c r e s ef r o m1 0 9 6 1 a mt o6 4 8 9 m w i t hy 1 y 4 s ra d d i t i o n so nt h ea m 8 0 一x c aa l l o y ，y l s r c o a r s e n e dt h eg r a i n ；w i t hi n c r e a s e si ns rc o n t e n tf r o my 2 t o y 4 ，t h eg r a i n s i z e d e c r e a s e dt o6 5 8 1 a ma g a i n x c aa d d i t i o n sb o n d e da 1a t o m s ，g e n e r a t i n gb o n e - s h a p e d h i g h m e l ta 1 2 c ap h a s ea n dd e p r e s s i n gt h ep r e c i p i t a t i o no ft h el o w 。m e l td - m g l 7 a l l 2 p h a s e w i t hy 1 y 3 s r a d d i t i o n so nt h ea m 8 0 一x c aa l l o y , a 1 2 c ap h a s eb e c a m e s m a l l s i z e do rb a n d i n g ，d i s p e r s i n ga tt h eg r a i nb o u n d a r i e s w h e nt h es rc o n t e n t i n c r e a s e dt oy 4 ，t h es e c o n d a r yp h a s e sb e c a m ec o n t i n u o u sn e t - w o r k e do v e ra g a i n ，b u t m o r er e f i n e rt h a na m 8 0 x c aa l l o y a f t e ry l y 4 s ra d d i t i o n s ，t h es o l i ds o l u b i l i t yo f a l o nt h ea m gm a t r i c e si n c r e a s e dg r a d u a l l y ，f u r t h e r l yd e p r e s s i n gt h ep r e c i p i t a t i o no f t h e pp h a s e a tr o o mt e m p e r a t u r ea n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，x c ad e c a r e a s e dt h et o t a lt e n s i l e p r o p e r t i e so fa m s 0a l l o y w h e nt h e s rc o n t e n ta d d e dt ot h ea m 8 0 - x c aa l l o y i n c r e a s e df r o my lt oy 4 ，t h et o t a lt e n s i l ep r o p e r t i e sf i r s t l yd e t e r i o r a t e d ，a n dt h e n i m p r o v e d ，f i n a l l yd e t e r i o r a t e da g a i n a n d ，t h ea m 8 0 一x c a - y 2 s ra l l o yh a d t h eb e t t e r p r o p e r t i e s ，w h o s et e n s i l es t r e n g t hw e r e17 3 m p aa n d16 0 m p a ，r e s p e c t i v e l ya n dw h o s e i i l 硕十学位论文 e l o n g a t i o nw e r e5 2 a n d8 2 ，r e s p e c t i v e l y a tt h et e m p e r a t u r eo f2 0 0 。ca n du n d e r t h el o a d i n go f5 6 m p a ，x c ai m p r o v e dt h eh e a t r e s i s t e n tp r o p e r t yo fa m 8 0a l l o y w i t h i n c r e a s e si ns rc o n t e n tf r o my lt oy 4 ，t h eh e a t - r e s i s t e n tp r o p e r t yo ft h ea m 8 0 一x c a a l l o yi n c r e a s e db ya n dl a r g e a m 8 0 一x c a y 4 s ra l l o yh a dt h eo p t i m a lc r e e p 。r e s i s t a n t p r o p e r t y ，w h o s em i n i m u mc r e e pr a t ea n d10 0 hc r e e pe l o n g a t i o nw e r e1 7 1 0 s 1a n d 0 8 ，r e s p e c t i v e l y b u tt h ec r e e p - r e s i s t a n tp r o p e r t yo fa m 8 0 - x c a - y 3 s ra l l o ya b r u p t l y d e t e r i o r a t e d i tw a ss u p p o s e dt h ed e t e r i o r a t i o nw a sr e l a t i v et ot h el o n g b a n d i n g s e c o n d a r yp h a s eo nt h eg r a i nb o u n d a r yw h i c hc o u l dw e a k e nt h es t r e n g t ho f t h eg r a i n b o u n d a r ya n dg e n e r a t es e r i o u ss t r e s sc o n c e n t r a t i o n c aa n ds rb l o c k e dt h ed i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o no ft h epp h a s e ，d e p r e s s e dt h e a g e i n gp r o c e s so fa m 8 0a l l o y d e s p i t et h e yl o w e dt h ea g e i n gs t r e n g t h e n i n g ，t h e y c o u l di m p r o v et h et h e r m a ls t a b i l i t yo ft h em i c r o s t r u c t u r e k e yw o r d s ：a m 8 0m a g n e s i u ma l l o y ；c a s ra l l o y i n g ；m o d i f i c a t i o n ；m i c r o s t u c t u r e d e v e l o p p i n g ；c r e e p i v 硕士学位论文 插图索引 图1 1 典型的蠕变曲线2 图2 1 实验过程的工艺路线1 3 图2 2 实验所用的金属模具1 5 图2 。3 所制备的合金试棒1 6 图2 4 拉伸试样尺寸( 单位：m m ) 17 图2 5 蠕变试样1 9 图3 1 合金浇铸方式示意图2 0 图3 2 合金的铸态组织2 1 图3 3 浇铸方式对合金组织缺陷的影响2 2 图3 4 浇铸方式对合金拉伸性能的影响2 2 图3 5 顶注式合金断口的s e m 形貌2 2 图3 6 浇铸温度对合金组织缺陷的影响2 4 图3 7 浇铸温度对合金拉伸性能的影响2 5 图3 8 模具温度对合金组织缺陷的影响2 6 图3 9 模具温度对合金晶粒尺寸的影响2 7 图3 1 0 模具温度对合金拉伸性能的影响2 7 图4 1 合金的铸态组织3 0 图4 2 合金的x r d 衍射图谱31 图4 3a m 8 0 x c a 合金的背散射电子像3 2 图4 4a m 8 0 x c a y s r 合金的金相组织3 3 图4 5a m 8 0 x c a y s r 合金的晶粒尺寸3 3 图4 6a m 8 0 x c a y s r 合金的x r d 衍射图谱3 4 图4 7a m 8 0 x c a y s r 合金的b s e 形貌3 5 图4 8a m 8 0 x c a y s r 合金的d s c 冷却曲线3 5 图4 9a m 8 0 x c a y s r 合金基体的显微硬度3 6 图4 1 0 凝固早期阶段合金基体相形核和生长速率的示意图3 7 图4 1 1a 1 4 s r 相与a 1 2 c a 相形貌的比较4 0 图5 1 合金的室温拉伸性能4 2 图5 2 合金室温拉伸断口的s e m 形貌4 3 图5 3 合金的高温拉伸性能4 3 图5 4 合金高温拉伸断口的s e m 形貌4 4 图5 5 合金的高温蠕变试验曲线4 5 图5 6 合金的稳态蠕变速率4 5 a m 8 0 c a s r 碱十耐热镁合金研究 图5 7 合金1 0 0 h 内的蠕变延伸率4 5 图5 8 解离裂纹的扩展形式4 8 图5 9 准解离断裂示意图4 8 图5 1 0 合金蠕变1 0 0 h 后纵向截面的金相照片5 0 图5 1 1 合金蠕变1 0 0 h 后纵向截面的s e m 形貌5 1 图6 1 合金的铸态组织5 5 图6 2 合金的固溶态组织5 5 图6 3 合金时效3 0 h 后的组织5 6 图6 4 合金时效峰值态的组织5 7 图6 5 合金时效硬度随时间变化的曲线5 7 图6 6 合金时效峰值态的s e m 组织6 0 图6 7 合金时效峰值态的s e m 高倍组织6 1 i x 硕上学位论文 附表索引 表1 1 镁合金在不同条件下的蠕变参数及蠕变机制【10 1 3 表4 1a m 8 0 一x c a 合金组织中各特征点的e d s 分析结果( a t ) 3 2 表4 2a m 8 0 - x c a - y s r 合金中各特征点的e d s 分析结果( a t ) 3 5 表4 3d s c 冷却曲线中合金的各特征温度参数3 6 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 妇琶 日期。节f 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 莎月_ f - e t 钥9 日 硕卜学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 镁合金是目前最轻的会属结构材料，它具有比强度、比刚度高，阻尼性、切 削加工性及导热性好，电磁屏蔽能力强等优点，在交通、通讯和航天航空等领域 的应用前景十分广泛，被称为“2 l 世纪最有前途和潜力的绿色工程材料”。 当前，能源和环保问题正越来越受到社会的普遍重视，能源消耗和废气污染 物排放量严重的汽车工业将迎来一场轻量化的革命，汽车制造商纷纷把目光投向 了镁合金。有报道称，汽车每减重1 0 0 k g ，油耗则会降低至少5 ；如果全球生产 的汽车每辆使用7 0 k g 镁，全球c 0 2 年排放量则将减少3 0 以上【2 1 。德国大众公 司声称，在未来5 年内，每辆汽车上镁的使用量可以达到6 0 - 、- 8 0 k g ；在未来1 0 年内，每辆汽车上镁的使用量可以达到1 7 8 k g 。到时，镁合金的轻质特点将会大 大降低汽车的重量，为汽车节能、减排、提高起动速度和转弯速度提供巨大的潜 力 3 , 4 1 。目前，世界范围内已经开发了6 0 多种镁合金零部件产品应用于汽车制造 中，如转向盘骨架、踏板、齿轮箱盖等，并将进一步发展大体积的车身零件，如 门框架、发动机缸体、车顶板、后部车厢隔板等。 近lo 年来，3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s ) 产 品发展速度极快，随着3 c 产品的小型化，在结构刚度、散热性方面对材料提出 了更高的要求，传统的工程塑料则无法满足这样的需求。而且，新的3 c 产品要 求材料具有屏蔽性和可回收性，镁合金正好也具有这些特殊的优点。所以，日本 和台湾地区已经广泛地将镁合金应用于3 c 产品上，目前镁合金主要用来生产便 携式电脑、移动电话、摄录器材以及数码视听产品的壳体1 5 j 。 尽管镁合会具有上述一系列的优点，在汽车、电子工业中的应用地位也越来 越重要，然而，镁合金高温条件下力学性能的严重恶化、抗蠕变性很差成了扩大 其广泛应用的主要障碍。当前，汽车工业上应用最多的镁合金是a z 9 1 和a m 6 0 ， 由于存在热力学不稳定的m g l 7 a 1 1 2 相，在1 2 0 以上的工作环境下，合会强度和 抗蠕变性能会急剧下降，而不能应用于发动机缸体、自动变速箱及油底壳等高温 场合【6 _ 8 】。为提高镁合金的高温耐热性，目前开发的稀土耐热镁合金w e 5 4 、w e 4 3 等的使用温度可以达到2 0 0 以上，但由于添加了大量稀土元素n d 、y 等，成本 昂贵，仅能应用在高成本的航空、航天领域。因此，如何在保证较低的制造成本 下，大幅提高镁合金的高温抗蠕变性能，使其能广泛应用于1 2 0 - - 2 0 0 的工作 环境中，是目前镁合金领域最迫切需要解决的关键性课题。 a m 8 0 c a s r 碱十耐热镁合企研究 1 2 镁合金的高温蠕变及强化机制 1 2 1 高温蠕变机制 1 2 1 1 蠕变变形机制 在恒力恒温条件下的蠕变曲线如图1 1 所示。图中a b c d 曲线即为蠕变曲线。 蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率( s = d e ( d o ，按蠕变速率的变化情 况，蠕变过程可分为三个阶段。口6 段为蠕变第1 阶段，称为减速蠕变阶段；6 c 段为蠕变的第2 阶段，此阶段蠕变速度基本不变，为恒速蠕变阶段；c d 段为蠕变 的第3 阶段，为加速蠕变阶段。 图1 1 典型的蠕变曲线 关于蠕变过程的形变机制一般认为，第一阶段和第三阶段的变形以滑移为主， 此时温度的影响是由于温度升高使扩散加速、发生回复而消除形变硬化从而促使 蠕变速度加大。而第二阶段的变形，形变速度很小，其变形机制除滑移外，还有 由于原子扩散而发生的流变。在高温低应力蠕变时，变形机制以后者为主。在高 温低应力蠕变条件下，n a b a r r o 及h e r r i n g 认为其控制过程因素为应力导致的扩散 ( 空位从受拉伸晶界向受压缩晶界流动，而原子或离子则反向流动) ，而c o b l e 则 认为是原子沿晶界的扩散1 9 】。从蠕变速度和晶粒尺寸的关系来看，c o b l e 模型更符 合试验结果。对0 4 t 熔点附近的高应力蠕变，一般认为是由位错运动所控制的扩 散过程。这些扩散过程导致晶界迁移及晶粒的逐步变形( 拉长) 。蠕变过程还伴随 着晶界的滑动，晶界的形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的一半，晶 界的滑动是通过晶界的滑移和晶界的迁移来进行的。在蠕变过程中，因环境温度 和j , i - d n 应力的不同，控制蠕变过程的机制也是不同的。 目前的研究表明，镁合金的蠕变主要通过位错滑移和晶界滑动两种方式进行。 一般来说，在室温拉伸条件下，具有六方结构的镁合金的滑移面为( 0 0 0 1 ) 基 面，且只有三个滑移方向，其断裂方式以脆性断裂为主，沉淀相和晶界是位错运 硕十学位论文 动的主要障碍。随着温度的增高，非基面的位错也可以参与运动，位错割阶、时 效沉淀相和初生弥散颗粒成为位错运动的主要障碍。通过透射电镜观察发现，在 室温断裂的a z 9 1 合金基体中只发现了( 0 0 0 1 ) 基面位错；在1 5 0 蠕变断裂的a z 9 1 合金基体中，除了( 0 0 0 1 ) 基面位错外，还存在( 1 0 11 ) 非基面位错，证实了在1 5 0 。c 蠕变条件下存在着交滑移现象。从已有的试验结果来看，尽管h c p 结构镁合金的 滑移系较少，但在高温下可以发生非基面滑移而形成交滑移。交滑移被认为是使 压铸镁合金抗高温蠕变性能弱化的机制之一。 在室温条件下，晶界变形并不明显，可以忽略不计。但在高温条件下，由于 晶界上的原子不稳定，容易扩散，受力后容易滑动而使蠕变加速，是导致压铸镁 合金蠕变失效的主要原因。许多研究表明，a z 9 1 合金高温蠕变性能差的主要原 因是分布在晶界的1 3 丰h ( m g l 7 a 1 1 2 ) 熔点较 f k 氏( 4 7 3 ) ，在高温条件下易变形，无法 钉扎住晶界，导致晶界滑动。 m g a 1 系镁合金在不同条件下的蠕变参数及蠕变机制如表1 1 所示。表中n 值代表蠕变应力指数，q 值蠕变过程表观激活能。针对某温度和应力状态下的某 一材料，1 3 和q 值通常用来推断材料的主要蠕变机制。 表1 1 镁合金在不同条件下的蠕变参数及蠕变机制1 0 l 1 2 1 2 蠕变断裂机制 镁合金的高温蠕变失效形式主要表现为沿晶丌裂。晶界裂纹首先出现在晶界 上的突起部位和增强相基体交界处。随着晶界的滑动，裂纹逐步扩展为空洞，在 应力作用下，空洞沿着垂直于应力方向的晶界扩展，最终导致试样断裂。对a z 9 1 合金高温短时拉伸断口的分析表明，在m g a 1 合金的晶界处，非连续沉淀相 m g l 7 a 1 1 2 与基体的结合较弱，容易产生裂纹，并在温度和应力的共同作用下形成 空洞，空洞通过位错滑移和晶界滑动进一步扩展连接而形成沿晶裂纹。 1 2 2 高温强化机制 针对镁合金的高温蠕变变形及断裂机制，主要可以采用以下方法来提高其抗 a m 8 0 c a s r 碱一卜耐热镁合会研究 高温蠕变性能。 1 2 2 1 析出强化 合金元素在基体中的固溶度随温度的降低而析出的具有一定形状和分布的析 出相，阻碍位错运动和滑移，提高了合金的屈服强度。 然而具备析出相并不足强化的充要条件，析出相的形状、尺寸、分布、性能 以及与基体之间界面的性质也是析出强化作用效果的决定因素。总的来说，细小 弥散且与基体共格的析出相强化效果最好，在高温蠕变下也相对稳定。然而，镁 原子半径大，析出相通常不能以共格的形式析出，在高温下极易粗化，对晶界的 钉扎作用减弱，甚至成为裂纹源，严重影响合金的高温性能。如何改善析出相的 晶体结构以降低它与镁基体的点阵常数错配度，以及提高析出相的熔点增强其热 稳定性成为提高镁合金耐热性的关键问题之一l 】。 1 2 2 2 弥散强化 开发弥散强化的耐热镁合金是扩大镁合金高温应用温度范围的潜在途径。弥 散强化机制与析出强化时类似，但与析出相形成温度不同，弥散强化的颗粒在合 金凝固的过程中产生，一般熔点较高，而且颗粒不熔于镁基体，所以具有良好的 热力学稳定性。 弥散强化早在1 9 4 9 年就被发现是一种极有前途的提高铝合金高温性能的手 段，高温强化效果远超出传统的析出强化程度。在常温下，析出相和弥散颗粒都 可以阻碍位错滑移，强化合金。在高温下，析出相逐渐粗化和软化，失去强化效 果，而弥散相却能继续阻碍位错的移动，提高了合会的高温强度。但是，弥散颗 粒应该与基体界面结合良好，否则合金在变形时基体与颗粒的界面会产生分离而 形成裂纹源，导致合金韧性降低。因此，如何提高弥散相与基体的润湿性，弥散 相的稳定性，控制弥散颗粒的形态、尺寸和分布( 理想状态是均匀分布在晶内) 等， 是研究和开发弥散强化型耐热镁合金需要解决的关键问题。 1 2 2 3 固溶强化 固溶强化也是提高合金耐热性的基本方法之一。选择高熔点( 高温下扩散速度 低) 且固溶度大的溶质元素合金化可以增加位错运动特别是高温蠕变时位错攀移 的阻力，有效提高溶质原子对增加蠕变抗力的贡献。在固溶体中加入能提高原子 间结合强度，改变晶粒组织，造成晶格畸变，提高再结晶温度和延缓扩散速度的 元素，能显著提高合金的耐热性。 根据h u m e r o t h e r y 规则，溶质与基体原子尺寸差大于15 ，就不会形成固 溶度较大的固溶体。因此，大多数合金元素如r e 、c a 和m n 等在镁中的固溶度 很低，高温固溶强化作用很小；在镁基体中固溶度高的元素如a l 和z n 等熔点低， 硕 ：学位论文 随温度提高，将不会有强化作用。通常，采用适当降低a i 、z n 含量的方法来提 高主要合金元素在基体中的溶解能力，但这样做又会降低合金的室温性能和铸造 性能。 1 2 2 4 晶界强化 晶界处因晶格缺陷较多使原子扩散迁移速度加快，导致晶界强度降低。强化 晶界的措施有： ( 1 ) 在晶界处形成大量细小析出强化相； ( 2 ) 增大晶粒尺寸以增大原子扩散距离，但根据h a l l p e t c h 效应，增大晶粒 尺寸会降低合金的力学性能； ( 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处的晶格空 位、改善晶界附近的组织形态。 已发现表面活性元素如c e 、c a 、s r 、b a 和s b 能改善镁合金的高温性能。此 外，晶界处铸造缺陷( 如m g a 1 基合金的缩松等) 使镁合金的蠕变强度大大降低， 消除此类缺陷对改善高温性能亦非常重要【7 1 。晶界强化有效的阻止了晶界的移动， 抑制了高温蠕变，是最有效地提高镁合金高温性能的强化手段。 1 3 耐热镁合金的研发现状 1 3 1m g a l 系合金 1 3 1 1m g - a 1 一z n 系 m g a 1 - z n 系合金中，a z 9 1 ( m g - 9 a 1 - 0 8 z n - 0 2 m n ) 具有易于铸造、易于加工、 高强度、高耐蚀性和低成本等优点，是所有镁合金中应用最广的一个牌号【1 2 】。a z 9 1 中各合金元素的作用为【1 3 】：a 1 增加合金的流动性，提高室温强度，增加a l 的含 量可提高合金的延展性，但降低合金的高温强度；z n 也可以提高合金的流动性， 并具有固溶强化作用，但超过2 时，合金易产生热裂；m n 不影响力学性能，但 它可形成f e m n a 1 金属间化合物而提高合金的耐蚀性能。a z 9 1 合金的使用温度 不能超过1 2 0 。c 1 4 】，故不适合做汽车发动机部件。为了提高a z 9 1 合会的抗高温 蠕变性能，很多学者研究了合金元素b i 、s b 、c a 、s i 、t e 和r e 对其组织和性能 的影响【1 5 19 1 。发现b i 、s b 、c a 和s i 元素都可以明显细化合金铸态组织，且复合 合金化的效果更好，这些合金元素的加入改善了合金的室温和高温力学性能，并 大大提高了合金的蠕变抗力，其中抗蠕变性能最好的( a z 9 1 0 3 c a 一0 6 s i ) 合会在 2 0 0 5 0 m p a 下的蠕变速率比基体合金a z 9 l 降低了2 个数量级【1 5 】。t e 的加入同 样改善a z 9 1 合金的铸态组织，可使p 相由沿晶界呈半连续的网络状转变为细小、 弥散、均匀的颗粒状分布。加入适量的t e 可以提高合金的室温和高温强度以及抗 a m 8 0 c a s r 碱十耐热镁合金研究 高温蠕变性能。在2 0 0 5 0 m p a 下，含0 3 t e 的a z 9 1 合金，其最小蠕变速率 为3 4 x 1 0 。8 s ，只有基体合金a z 9 1 的1 5 左右【16 1 。将富c e 的混合稀土r ej j n * a z 9 1 中，形成的a 1 l l r e 3 相可使低熔点b 相的尺寸和数量减少，a i l l r e 3 相具有 高的热稳定性，因此r e 的加入可大大提高高温抗拉强度。但加入太多的r e 会 造成a 1 ll r e 3 相粗化而不利于性能提高，一般加入1 - - - - 2 的r e 可获得比较合理 的力学性能【1 引。 鉴于c a 、r e 的有效作用，日本有人开发了一种用作汽车传动部件的新型耐 热镁合金【2 0 1 ，其成份为m g 6 a 1 0 5 z n 1 c a 3 r e 。该合金具有好的流动性，模铸 性能比得上a z 9 1 d ，耐热性能优于a e 4 2 ，且其耐热性能与常用汽车传动部件材 料a d c l 2 铝合金相当。 1 3 1 2m g - a i - m n 系 a m 系列合金a m 6 0 、a m 5 0 具有较高的伸长率和韧性，常用于抗冲击载荷 及安全性较高的场合，如车轮、车门和座椅等。但这些合金的长期工作温度一般 不能超过1 2 0 。c 。最近有报道称【2 ，在a m 5 0 中加入1 7 c a 后，合金中形成了 热稳定的三元金属问化合物，新合金在1 5 0 、1 0 0 m p a 下的最小蠕变速率比a m 5 0 低3 个数量级。 1 3 1 3m g - a i - s i 系 m g a 1 一s i ( a s ) 系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金。在汽车工业 中，传统的高温合金主要是a s 系列，由于a l 含量的减少和s i 元素的加入，减 少了b 相，得到了硬度和熔点都很高的m 9 2 s i 相，从而提高了合金的高温强度。 1 7 5 时，a s 4 1 合金的抗蠕变性能明显优于a z 9 1 和a m 6 0 合金。但是，a s 系镁 合金由于在凝固过程中会形成粗大的汉字状m 9 2 s i 相，损害了合会的铸造性能和 力学性能。研究发现，微量c a 的添加能够改善汉字状m 9 2 s i 相的形状，细化m 9 2 s i 颗粒，提高a s 系列镁合金的组织和性能【1 4 1 。为了提高a s 2 1 合金的耐蚀- t 1 4 上4 - 台日e 匕, ， 最近有研究者在合金中添加0 1 5 的富铈稀土及o 0 5 一- - 0 3 5 m n ，构成的新合 金a s 2 1 x ，其耐蚀性能与a z 9 1 d 相当，而抗蠕变性能及其他力学性能都没有损 失【2 2 】。 1 3 1 4m g a i - r e 系 a e 系合金的典型代表是a e 4 2 合金( m g 4 a 1 2 r e ) 。早在上世纪7 0 年代。 f o e r s t e r 在m g a 1 合金中加入c e 后合金的高温性能得到改善。在m g a 1 r e 系合 金中【2 3 ，2 4 1 ，r e 优先和a l 结合生成具有体心正方晶体结构的a l l l r e 3 相( 有文献 称为a 1 4 r e 相，r e 为l a 、n d 、c e 或p r ) 和立方l a v e s 晶型的a 1 2 r e 相( r e 为y 或n d ) 。在压铸条件下，a e 具有的优异高温性能得益于弥散分布的跨晶界并伸入 硕十学位论文 晶粒内的针状共晶a 1 l l r e 3 对相邻晶粒的钉扎作用1 2 5 1 。由于稀土与a l 结合生成化 合物，减少了b 相的数量，从而提高合金的高温性能。a 1 r e 相熔点高，加上稀 土元素的扩散速度慢，具有很高的热稳定性。a e 4 2 合金在铸态和蠕变之后只有 a 1 r e 耐热相，没有m g l 7 a 1 1 2 相的形成，在2 0 0 。c 的高温下仍具有优良的蠕变强 度。目前a e 4 2 合金已经被通用公司用于生产变速箱。由于a e 合金生产成本高， 铸造性能较差，使其应用受到限制。 1 3 1 5m g - a 1 c a 系 a c 系合金主要有m g a l c a 3 3 合金( m g 一3 a 1 3 c a 0 6 m n ) 和a c m 5 2 2 合金 ( m g 5 a 1 2 c a 2 r e 0 3 m n ) 。上世纪7 0 年代大众公司率先尝试开发c a 含量为1 的m g a i c a 压铸合金。在m g a 1 合金中添加c a 的作用有三【2 6 】：一是防止镁合 金在熔炼和热处理过程中氧化；二是细化镁合金组织；三是加入适量的c a 可以 与合金中的a l 和m g 形成高熔点的化合物a 1 2 c a 和m g z c a 。有研究发现【2 7 】：m g a 1 系合金中c a 的加入量超过1 时合金有热裂和粘模倾向，脱模性能变差；而c a 的加入量超过2 时，热裂和粘模现象又可以消除。m g a i c a 3 3 合金具有良好的压 铸性能和高温力学性能，在1 7 5 以下其蠕变抗力优由于a e 4 2 合金，主要原因 是c a a i 比值大于o 8 ，合金中m g l 7 a 1 1 2 相被稳定的m 9 2 c a 沉淀相大量取代【2 引。 日本开发的a c m 5 2 2 合金可在1 5 0 2 0 0 的范围内使用，显微组织为初生的 0 【m g 和在晶界分散着的黑色a 1 c e 相粒子及浅色的m g c a 和a 1 c a 等相组成的 化合物【2 9 1 。该合金已用于批量生产汽车发动机油盘、摩托车发动机盖。另外，由 死海镁业和德国大众公司合作开发的一种m g a 1 c a r e 合金系列，该系列目前 已报道的合金牌号有m r l l 5 3 1 3 0 , 3 1 】。该合金能在1 5 0 高温环境及5 0 m p a 8 0 m p a 高负荷下长时间使用，并且可以不改变原有模具浇道系统及产品设计条件下，生 产出变速箱及离合器壳体。与a z 9 1 d 、a e 4 2 和a s 2 1 等合金相比，m r l l 5 3 合金 在载荷为5 0 m p a 8 5 m p a 及1 3 0 1 5 0 高温条件下的性能得到很大提高，其有 望成为制造变速箱壳体、油底盘、进气歧管等汽车动力零部件生产的优选镁合金 材料。目前，关于该系镁合金详细研究开发情况的报道还比较少。 1 3 1 6m g - a 1 - s r 系 m g a 1 s r 系合金由n o r a n d a 公司开发成功的，a j 合金的特点是m g 基体中的 a l 的过饱和固溶度较低，薄片状的a 1 4 s r m g 共晶体存在于晶界或者树枝晶间。 a j 合金具有与a m 和a z 合金相似的室温性能，高温蠕变性能优于a e 4 2 ，在1 7 5 时具有优良的抗蠕变性能和拉伸强度