（材料加工工程专业论文）mggdyzr合金组织与力学性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g 嬲嬲幽 s t u d yo nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fm g - g d - y z r a u o v s b yh u a n gz h e n s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rc u ij i a n z h o n g a s s o c i a t ep r o f e s s o rl eq i c h i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 fllft 睁 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：荡够、 日期：伽。i ，久 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 摹 j 东北大学硕士学位论文 摘要 m g g d y - z r 合金组织与力学性能研究 摘要 m g - g d y - z r 合金是性能优良的高强镁合金，在国防和航空航天工业具有广 泛的应用前景。但是该合金的铸造和塑性加工性能差。本文采用低频电磁铸造技 术制备了一系列m g - g d y z r 合金，详细研究了铸态组织和力学性能、均匀化热 处理工艺、热压缩行为、挤压工艺及挤压棒材经不同热处理方法处理后的合金组 织和力学性能。为该合金的发展提供了大量基础工作。 采用低频电磁铸造技术制备的m g - g d y - z r 系合金锭坯，铸态组织主要组 成相是a - m g 、m 9 2 4 ( g d y ) 5 、m 9 3g d 、m 9 2 g d 和m 舀g d ；添加a g ( 1 ) 没有新 相形成，主要以固溶状态存在。第二相主要有块状、颗粒状和片层状3 种形态， 其大多分布在晶界或枝晶界处，少量分布在晶内。该合金的最佳均匀化退火制度 为5 0 0 8 h 。 m g _ g d y - z r 镁合金铸锭热压缩流变特征及微观组织观察表明：热压缩过程 中发生了动态再结晶。实验得出了变形的真应力应变曲线，并利用本构方程拟合 出表观激活能，分析了温度、应变速率及应变量对微观组织的影响。热压缩结果 表明，m g 1 0 g d 3 y o 6 z r 1 a g 合金塑性变形的表观激活能为1 8 0 l d m o l ，其热加 工宜在3 6 0 枷o 温度范围内进行。 m g g d y - z r 合金挤压过程中，随着挤压温度的降低，晶粒细化，时效后的 力学性能提高。通过一系列二次挤压温度的比较，确定3 6 0 为最佳二次挤压温 度。在该温度二次挤压的合金t 5 态的力学性能明显高于t 4 和t 6 状态。经过 2 0 0 ，6 8 h 的时效处理，其抗拉强度达到4 6 5 m p a ，屈服强度达到3 9 8m p a ，延 伸率为8 。 预变形量为3 一7 5 时，应变时效可以显著提高m g g d y - z r 合金的力学性 能。经过3 预应变，2 0 0 7 1 h 时效后，合金抗拉强度达到为4 8 0m p a ，屈服 强度达到4 3 1 m p a ，延伸率在左右7 。 关键词：m g g d y - z r 镁合金，力学性能，均匀化，挤压，热处理 i l 。 j 擘 一， 。ll-1， 东北大学硕士学位论文 s t u d yo n t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m g - g d y _ z r 舢1 0 y s a bs t r a c t m g - g d v z ra l l o y s 甜cw i d e l yu s e di nn a t i o n a ld e f c n c c ，s p a c e f l i g l l t 锄da v i a t i o n i n d u s t r ) rc u r r e n t l yf o ri t se x c c l l e n tp r o p c n i e s h o w c v e r i t sc 弱t i n gc h 撒c t c r 柚d f b m a b i l i t ya 坨p 0 0 r i nt l l i sp a p e fa r i e s0 fm g - g d y - z ra l l o y sw e r cp r e p a r e db y u 吧c ( k l wf r e q u e n c ye l e c t r o m a 朗e t i cc 雒t i n g ) p r o c c s s i n g 锄dm 锄y 陀s e a r c hw o r k w c 坨c a 玎i c d0 u tt 0 d e v e l 叩 t l l c a l l o y s ，i n c l u d i n g 弱c 勰tm i c r o s t l l l c t u r c s卸d m c c h 觚i c a l p r o p c r t i e s ，h o m o g c n i z a t i o np r o c e s s i n g h o tc o m p r e s s i o nb c h a v i o 璐， 甑t n l s i o n t c c l l l l o l o g y h ia d d i t i ，t l l cc 丘b c t so fh e a t 仃e a t m c n tc o n d i t i o n s 伽t h c m i c r o s t n l c t u r e s锄dt h em c c h a n i a l p r o p e n i e s 0 ft h cc x t n l s i o nr o d sw e 他a l s o i n v e s t i g a t e di nd e t a i l t 1 l cm a i nc o n s t i t u e n t si n 弱- i c 弱t m g g d y z ra l l o y sb yu 砸ca 他a m g ， m 9 2 4 ( g d y ) 5 ，m 9 3 g d ，m g d 锄dm 舀g d t 1 l e r ci sn on c _ wp h 勰cf 0 咖e da f 【e ra d d i n g 1 a g w h i c hi s l i ds o l u t e di nm a t r i x t 1 l es c c o n dp h 笛c sa p p e 盯弱b l o c k ，伊柚u l c 柚dn a l 【c m o s to ft h e ma 他i nt h c伊a i nb o u n d a r i e s 锄ds m a l l p a n i si i l i 1 1 t 船c f y s l i l l i n e s n cs u i 油l eh o m o g e n i z a t i 册t c c h n 0 1 孵c a lc o n d j t j 彻i s5 0 0 8 h t h cf l o wc h a r a c t e r i s t 瓶o fm g g d - y - z ra l l o y sd u r i n gh o tc o m p 陀s s i n g 锄d 柚d t h e i rm i c r o s t l l l c t u r e ss h o w e dt h a td y n 锄i cr c c r y s t a l l i z a t i o n ( d r ) pt a k e sp l a c ed u r i n g t h ec o m p r c s s i o n t h ct m c s t r e s s t m e s t r a i nc u r v e sw e r co b t a i n e da n dt h ea p p a 陀n ta c t i v a t i o ne n e r g y w 硒g i v e no u ta c c o r d i n gt ot h ec 0 n s l i t u t i v ee q u a t i o n s ，柚dt h ee f f e c t so fd e f 0 册a t i o n t e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t e 柚ds t r a i no nt h em i c r o s t r u c t u r e sw e 陀d i s c u s s c d t 1 l e i 丫；j 东北大学硕士学位论文 r c s u l t si n d i c a t et h a tt h ea p p a r e n ta c t i v a t i 伽e n e 唱yf o rm g - 1 0 g d - 3 y - o 6 z r - 1 a ga l l o y i s1 8 0 l l l 】m o l ，缸di t ss u g g e s t e dh o td e f 0 珊a t i o nt e m p e r a t u r cm g ei s3 6 0 一4 0 0 t h ee x t m s i o ne x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a th i g l la 酉n gm e c h a i l i c a lp r o p e n i e so f m g - g d y z ra l l o yw o u l db ea c h i e v e d 嬲e x t r u d e di n1 0 w e rt e m p e r a t u r cd u et oi t s d r 锄a t i cr e f i n e m e n te 伍e c t t h es u i t a b l es e c 0 n de c t n l s i o nt e m p e r a t u r cw 硒d e t e m l i n e d 弱3 6 0 b yas e r i e so fe x p e r i m e n t s t h em e c h 柚i c a lp r o p e n i e so ft h ea l l o yi i lt 5 c o n d i t i o n 撒h i g h e rt l l 锄t h o s ei l lt 4 柚dt 6c o n d i t i o 璐a 矗e ra 酉n ga t2 0 0 f o r6 阻 t h et e n s i l es t r e n g t l li s4 6 5 m p a ，t h ey i e l ds t r e n 舀hi s3 9 8 m p 如觚dt l l ee l o n g a t i o ni s a t o u t8 t h er e s u l t sa l s 0i n d i c a t ct h a ts t 谢ma g e i n gc o u l di m p r 0 v em c c h 锄i c a lp r o p e n i e s o fm 争g d y z ra l l o y 弱t l l cp r c - s t r a i nc 印a c i t yr 柚g c si n3 7 5 t l l l ct c n s i l e s t r c n 舀hi s4 8 0 m p 钆t l l ey i e l ds t l i e n 舀hi s4 3 l m p 毛卸dt l l ee l o n g a t i o ni sa b o u t7 世e ra 舀n ga t2 0 0 f o r7 1 hi n3 p r e s t r a i nc a p a c i t y k e y w o r d s ：m 争g d y z ra l l o y m e c h a i i i c a lp r o p e n i e s ，h o m o g e n i z a t i o n ，c x t l l j s i o n ， h e a tn c a t m e n t j 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c r i i l 第一章绪论。1 1 1 国内外发展的现状。1 1 1 1 镁及镁合金1 1 1 3 我国耐热镁合金的发展现状与趋势6 1 2 稀土元素和镁合金7 1 2 1 稀土在镁合金中的主要作用。7 1 2 2 稀土镁合金的发展1 0 1 3 本研究的目的意义1 1 1 4 课题研究内容1 2 第二章实验方法1 3 2 1 技术路线和研究内容1 3 2 2 合金的熔炼1 3 2 2 1 实验材料及配料的计算1 3 2 2 2 合金的熔炼过程1 4 2 2 3 合金的名义成分和实测成分1 5 2 3 试验设备1 6 2 4 实验内容和方法1 6 2 4 1 金相组织观察1 6 2 4 2 扫描电镜实验1 7 2 4 3x 射线衍射实验1 7 2 4 4 热压缩实验1 8 2 4 5 硬度测定1 8 2 4 6 热挤压实验1 9 2 4 7 力学性能实验2 0 2 4 8 合金的热处理工艺2 1 2 4 9 断口分析2 2 第三章铸态m g g d y - z r 合金及其热处理制度研究2 5 3 1 铸态m g g d y z r 合金的显微组织和相组成2 5 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 1 合金成分对m g g d y - z r 合金系的铸态组织的影响2 5 3 1 2m g g d y - z r 合金系的相分析2 6 3 2 均匀化退火对m g g d y z r 系合金的显微组织的影响3 2 3 3 固溶和时效制度对m g g d y - z r 合金组织和性能的影响3 2 3 3 1 固溶和时效处理对m g 1 0 g d 4 y - o 6 z r 组织的影响3 2 3 3 2 固溶和时效处理对m g - g d y - z r 系合金性能的影响3 3 3 4 本章小结。3 8 第4 章m g g d y z r 合金热压缩变形行为4 1 4 1m g - g d y - z r 合金系的热压缩组织4 1 4 1 1 热压缩变形温度对m g 1 0 g d 4 v 0 6 z r 合金组织的影响4 1 4 1 2 应变速率对m g 1 0 g d 4 y - o 6 z r 合金的热压缩组织的影响4 2 4 2m g g d y 二z r 合金的真应力真应变曲线4 3 4 3m g - 1 0 g d - 3 y - 0 6 z 卜1 a g 变形激活能的计算4 5 4 4 本章小结。5 1 第五章m g g d y z r 系合金挤压变形工艺研究5 3 5 1 一次挤压对m g - 1 0 g d 3 y 0 6 z r 合金组织和性能的影响5 3 5 1 1 一次挤压对m g 。1 0 g d 3 y - 0 6 z r 合金组织的影响5 3 5 1 2 热处理对m g - 1 0 g d 3 y o 6 z r 合金一次挤压棒组织的影响5 4 5 1 3 热处理对m g 1 0 g d 3 y - 0 6 z r 合金一次挤压棒性能的影响5 5 5 2 二次挤压制度对m g 1 0 g d 3 y - o 6 z r 合金组织和性能的影响5 7 5 2 1 挤压温度对m g 1 0 g d 3 y - o 6 z r 合金组织与性能的影响5 7 5 2 2 时效处理对m 分1 0 g d 3 y o 6 z r 合金性能的影响6 1 5 2 3m g - 1 0 g d 3 y - o 6 z r 合金的拉伸断口分析6 7 5 2 4 应变时效处理对m g 1 0 g d 3 y 0 6 z r 性能的影响6 8 5 3 本章小节7 1 第六章结论7 3 参考文献7 5 致谢7 9 2 一 ， ： j 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 t 1 1 国内外发展的现状 1 1 1 镁及镁合金 镁，原子序数1 2 ，原子量2 4 3 0 5 ，为碱土金属中最轻的结构金属。1 8 0 8 年 英国化学家戴维通过电解氧化镁和氧化汞的混合物，制得镁汞齐，蒸出其中的汞 后，析出金属镁。1 8 2 8 年法国科学家比西用金属钾还原熔融的无水氯化镁得到 备 纯镁。镁在地壳中的含量约2 5 ，是第8 个最丰富的元素。镁的化合物很丰富， 一 有呈固体沉积物的，也有的在地表水溶液中。但绝大部分镁是储存在海洋里，海 洋里的镁含量是0 1 3 ，其存储量是无限的，且含量均匀，可用高标准化的方法， 提取，海水是现今镁的主要来源。镁也存在于人体和植物中，它是叶绿素的主要 组分，人体内到处都有以镁为催化剂的代谢系统，约有一百个以上的重要代谢必舞 须靠镁来进行，镁几乎参与人体所有的新陈代谢过程，人类的许多疾病都与镁的 含量有关，如脑血管病、高血压病等【”】。 镁为银白色金属，密集六方晶格，无同素异构转变：熔点6 4 8 8 0 c ，沸点 1 1 0 7 ，密度1 ”1 0 。3 k 咖3 。镁具有优良的切削加工性斛1 1 。金属镁能与大多 数非金属和酸反应，在高压下能与氢直接合成氢化镁，镁能与卤化烃或卤化芳烃 作用合成格利雅试剂，广泛应用于有机合成。镁具有生成配位化合物的明显倾向。 镁和铝同属有色金属，镁的比重比铝还小，比热和膨胀系数较大，弹性模量在常 用金属中是最低的。镁的化学活性很强，将镁合金置于空气或溶液中，它的表面 都会形成一层很薄的氧化膜。分析发现其氧化膜的结构可分为三层，最外层是厚 达犁m 的小块板状的结构；中间是一层仅有2 0 4 0 n m 的致密中间层，第三层呈蜂 窝状，有0 4 o 研m 厚。镁合金表面的这种三层层状结构呈现出一个共同的特点， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 即多孔状。这种多孔状的氧化膜对镁合金基体并无良好的腐蚀防护作用，且膜质 脆，远不如铝合金氧化膜坚实，所以镁的抗腐性很差【4 1 。 对镁主要用途有：1 合金添加材料；2 化学添加剂：钢铁脱硫剂、还原剂、球 墨铸铁、格利雅反应( 镁烷基缩合) 催化剂、自耗阳极和闪光剂等；3 铸造用镁合 金；4 其它：轧制材料等。 1 1 1 2 镁合金 金属镁有其显著的优点：密度小、比强度高、易加工等，同时又有塑性低、 耐蚀性差、耐磨性差、易燃等缺点。纯镁的机械性能低不能做结构材料使用。基 于实际应用中不同的需求，既考虑不破坏金属镁本身密度低的优点，又满足耐磨、 耐蚀、阻燃等要求，针对不同的目的就出现了不同性能特性的镁合金。一般来讲 镁合金都是一种质量轻的工程金属材料，不仅具有相对体积质量小、比强度高、 阻尼性好、切削加工性好、导热性好以及减振性好等特点，而且易于回收。镁合 金的最突出特性是密度小，为1 7 4 1 0 。3 k g m 3 ，仅为铝合金的2 3 ，铁的1 4 ，而 在刚性相同条件下，镁的质量仅为钢的驼。例如，镁与铝、铜、锡、锰、钛、 铍等金属元素形成的多种合金( 约含镁8 0 ) ，相对体积质量只有1 8 幽：i i l 3 左右， 但硬度和强度都较高。镁合金还有良好的抗冲击性，是塑料的2 0 倍。这些特性 表明了镁在降低重量方面具有巨大的潜力【5 1 。 另外，镁合金的传热和膨胀系数较大，弹性模量在常用金属中是最低的。镁 有相当高的导热性与导电性，无磁性，并有优异的尺寸稳定性与良好的能量吸收 特性，是制造抗震零件的良好材料，镁是金属中最易机械加工，加工成本最低的 金属，用价廉的切削工具就可以有效的控制公差，保证精度。镁合金还具有良好 的挤压性能与成形性能，焊接性能也不错，而且镁合金压铸件的使用期限要比铝 合金长，这是因为镁的热疲劳小于铝【叫。压铸技术的最新发展，使得镁合金能 够铸造薄壁的、接近成品尺寸的复杂零件，甚至可以与塑料相比，具有良好的风 度和稳定性，其零件在重量、价格、功能以及结构优化设计方面都具备较大的优 越性。 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 阻碍镁合金广泛应用主要原因有：价格高、耐磨性差、耐蚀性差( 尤其是耐海 水腐蚀性能很差) 、铸造性能差及在4 0 0 。c 以上极易燃烧、加工成形困难等。 由于镁极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合 金的生产难度很大；特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较 差；现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温( 1 5 0 3 5 0 ) 场合的应用；镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提 高；镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不 同应用场合的要求。镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金按合金组元 不同主要有m g - 鲇- z n - m n 系 固、m g 舢m n 系( a m ) 和m g 一s i m n 系( a s ) 、 m g - i 也系、m g z 1 1 z r ( z k ) 、m g z 1 1 i 汪系( z e ) 等嗍。 我国具有丰富的镁资源，原镁产能、产量和出口均居世界首位。在镁和镁合 金的研究和应用领域，我国与发达国家之间的差距还相当大，一方面，我国的原 镁质量差，镁合金锭的质量也不尽如人意，出口缺乏竞争力，作为结构材料应用 的镁在国内的消耗量又很少，只能作为初级原料低价出口，属典型的资源出口型 工业。我国对镁合金的研究和应用更显薄弱。因此，如何利用我国的镁资源优势， 将镁的资源优势转变为技术、经济优势，促进国民经济发展、增强我国镁行业的 国际竞争力，是摆在我们面前的迫切任务。 1 1 2 镁合金的新进展 ( 1 ) 耐热镁合金 耐热性差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，使它难以作为关键零件( 如发动机零件) 材料在汽车等 工业中得到更广泛的应用。己开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土 元素( r e ) 和硅( s i ) 。稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素。含稀土的镁合 金q e 2 2 和w e 5 4 具有与铝合金相当的高温强度，但是稀土合金的高成本是其被 广泛应用的一大阻碍。 m g 砧- s i ( a s ) 系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金。1 7 5 时， a s 4 1 合金的蠕变强度明显高于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 s i 相，损害了铸造性能和机械性能。研究发 现，微量c a 的添加能够改善汉字状m 9 2 s i 相的形态，细化m 9 2 s i 颗粒，握高 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 a s 系列镁合金的组织和性能。 从2 0 世纪8 0 年代以来，国外致力于提高镁合金的高温抗拉强度和蠕变性能。 最近美国开发的乙蛇8 5 0 6 ( m g 8 z n 5 舢0 6 c a ) ，以及加拿大研究的m g - 5 0 8 c a 等镁合金，其抗拉强度和蠕变性能都较好。2 0 0 1 年，日本东北大学井上明久等 采用快速凝固法制成的具有晶粒尺寸1 0 0 2 0 0 1 1 恤的高强镁合金m 分2 a t y - 1 a t z n ，其强度为超级铝合金的3 倍，还具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。 ( 2 ) 耐蚀镁合金 镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决：严格限制镁合金中的f e 、 c u 、n i 等杂质元素的含量。例如，高纯a z 9 1 h p 镁合金在盐雾试验中的耐蚀性 大约是a z 9 1 c 的1 0 0 倍，超过了压铸铝合金a 3 8 0 ，比低碳钢还好得多。对镁 合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处 理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金， 其耐蚀性超过了不锈钢。 ( 3 ) 阻燃镁合金 镁合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烷。实践证明，熔剂保护法 和s f 6 、s 0 2 、c 0 2 、加等气体保护法是行之有效的阻燃方法，但它们在应用中 会产生严重的环境污染，并使得合金性能降低，设备投资增大。纯镁中加钙能 够大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但是由于添加大量钙会严重恶化镁合金的机 械性能，使这一方法无法应用于生产实践。铍可以阻止镁合金进一步氧化，但是 铍含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。 最近，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心通过同时加入几种元 素，开发了一种阻燃性能和力学性能均良好的轿车用阻燃镁合金，成功地进行了 轿车变速箱壳盖的工业试验，并生产出了手机壳体、m p 3 壳体等电子产品外壳 【1 5 】 o ( 4 ) 高强高韧镁合金 现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在m g - z n 和m g - y 合 金中加人c a 、z r 可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；加人a g 和n 能够提高m g l 也- z r 合金的力学性能，如含a g 的q e 2 2 a 合金具有高室温拉伸性 能和抗蠕变性能，已广泛用作飞机、导弹的优质铸件：通过快速凝固粉末冶金、 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 高挤压比及等通道角挤( e a 垣) 等方法，可使镁合金的晶粒处理得很细，从而 获得高强度、高塑性甚至超塑性。 ( 5 ) 变形镁合金 虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获 得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件 的使用要求。因此，开发变形合金，是镁合金的的发展趋势【刎。 新型变形镁合金及其成形工艺的开发，已受到国内外材料工作者的高度重 视。美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品，如通过挤压+ 热处理后的z k 6 0 高强变形镁合金，其强度及断裂韧性可相当于时效状态的灿7 0 7 5 或舢7 4 7 5 合金， 而采用快速凝固( r s ) + 粉末冶金( p m ) + 热挤压工艺开发的m g - 趾z i l 系b 钻5 r s 变形镁合金，成为迄今报道的性能最佳的镁合金，其性能不但大大超过常规镁合 金，比强度甚至超过7 0 7 5 铝合金，且具有超塑性( 3 0 0 ，4 3 6 ) ，腐蚀速率与 2 0 2 4 t 6 铝合金相当，还可同时加入s i c p 等增强相，成为先进镁合金材料的典 范。日本1 9 9 9 年开发出超高强度的m g y 系变形镁合金材料，以及可以冷压加 工的镁合金板材。英国开发出m g 舢b 挤压镁合金，用于m a 舯o x 核反应堆燃料 罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上的兼具优良力学性能和耐蚀性能的变 形镁合金，法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极薄板材料。 ( 6 ) 镁合金成形技术 镁合金成形分为变形和铸造两种方法【2 1 捌，当前主要使用铸造成形工艺。 压铸是应用最广的镁合金成形方法。近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空 压铸和充氧压铸，前者已成功生产出a m 6 0 b 镁合金汽车轮毅和方向盘，后者也 己开始用于生产汽车上的镁合金零件【训。 镁合金半固态触变铸造m i x o m o l d i n g ) 成形新技术，近年来受到美国、日本 和加拿大等国家的重视。与传统的压铸相比，触变铸造法无需熔炼、浇铸及气体 保护，生产过程更加清洁、安全和节能。目前已研制出镁合金半固态触变铸造用 压铸机，到1 9 9 8 年底，全世界已有超过1 0 0 台机器投人运行，约有4 0 种标准镁 合金半固态产品用于汽车、电子和其他消费品。但相对来说，半固态铸造镁合金 材料的选择性小，目前应用的只有a z 9 1 d 合金，需要进一步发展适用于半固态 铸造的镁合金系【引。 一5 一 络 东北大学硕士学位论文第一章绪论 其他正在发展的镁合金铸造成形新技术有镁合金消失模铸造、挤压铸造低 压铸造结合法、挤压铸造流变铸造结合法和真空倾转法差压铸造等。 1 1 3 我国耐热镁合金的发展现状与趋势 2 0 世纪8 0 年代初，我国已有9 种铸造镁合金，其中含稀土金属有6 种都是 由北京航空材料研究所在建国后近3 0 年的时间里研制的，这些稀土镁合金广泛 应用于国内的航空工业。最早的z m 3 合金在1 9 6 7 年投入使用，曾用于歼六发动 机的前舱铸件，其2 0 0 时的蠕变性能比前苏联的m 7 提高了1 5 倍，实现了产 品材料替代【删。2 0 世纪7 0 年代研制成功的z m 4 增加锌含量至2 3 ，铸造 工艺又有进一步改进。除了混合稀土金属用作热强镁合金的主要合金元素外，稀 土金属y 的作用特别受到人们的重视，1 9 8 0 年研制成功的z m 9 就是以y 为主 加元素的热强合金。用z m 9 制造3 0 0 下长期工作的零件，性能接近含n 合金 h z 3 a ，但无放射性，同时填补了国内3 0 0 铸镁合金的空白。1 9 8 0 年同时研制 成功以n d 为主要合金元素的z m 6 合金，z m 6 合金不但具有较高室温力学性能， 还具有良好的高温瞬时力学性能和蠕变性能，可在室温下作为高强合金使用，也 可在2 5 0 下长期使用。z m 6 性能与前苏联的m 1 0 相当，美国采用它代替了 出口我国的z h 6 2 a 镁合金部分铸件。这期间中国在耐热镁合金新材料的研究中 一度处于世界先进水平，且大多集中于航空、航天领域。从2 0 世纪8 0 年代至今， 未见突破性的新材料报道1 1 1 l 。我国在稀土新材料的开发应用方面与日、美等发 达国家相比还有相当大差距，许多材料的研究与开发处于跟踪模仿状态。近年来 对稀土合金的研究有了进一步发展，各国纷纷制定有利于镁合金产业发展的政 策，稀土在镁合金中的应用开发条件已经逐渐成熟。随着稀土镁合金的优良特性 逐步为人们所接受，它的应用市场日趋广阔。2 0 世纪4 0 年代及5 0 年代，战争 需要掀起了镁合金材料改性研究热潮，冷战时期，东西方世界分别探索了耐热镁 合金发展道路。冷战结束后，双方都将发展的焦点集中于稀土之上。各国在耐热 镁合金研究方面、航空航天、军事领域均领先于民品应用领域，随着战争阴影的 褪去，耐热镁合金研究的前沿技术逐步从航空航天、军事领域向民品应用领域转 化。耐热镁合金的进一步发展，使它有可能取代目前广泛使用的一些铝合金结构 件。8 0 年代以来，我国在航空航天领域对稀土耐热镁合金的研究、在民品中的 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 应用均未见报道有大的进展。国外很早即已关注耐热镁合金的研究，但在推广应 用耐热镁合金过程中曾经遇到的一个障碍是稀土、镁金属昂贵的价格，目前随着 稀土、镁应用成本的降低，该领域的研究及应用将有可能实现较大飞跃。 长期以来，稀土大量用于黑色冶金部门，近年来对稀土合金相图组成与性能 的关系及工艺条件的研究有了进一步发展，稀土在有色金属材料特别是镁合金中 的应用开发条件已经逐渐成熟。稀土镁合金具有镁合金的固有优点，如密度小、 比强度高、具有金属光泽等，同时又具有耐热强度高、蠕变性能优良的新特点。 近4 0 年来，民用领域中镁合金的发展较钢和铝迟缓，部分原因是因为出现了塑 料及纤维增强材料，这些材料与迄今为止开发的常规镁合金相竞争，但它们的通 常使用温度是1 0 0 以内，且基于材料特性，提高使用温度的潜力有限，耐热镁 合金将有可能抢占这些材料的市场，广泛应用于民品中。稀土镁合金的发展与新 工艺的应用密不可分。快速凝固、半固态技术等在稀土镁合金领域的应用，为它 提高性能、拓宽应用提供了新的途径。我国有丰富的稀土资源，稀土的应用与开 发对合理利用稀土资源十分重要。因此，开发含稀土的高品质镁合金材料在我国 有独特的优势。稀土镁合金的高强、耐热、耐蚀性能不但能进一步增加镁合金材 料在现有的汽车工业、通讯电子业等行业领域中的应用，也可促进镁合金材料在 新领域中的进一步开发和利用，同时还为稀土材料的应用开辟出一个十分广阔的 领域。不断改进完善现有的稀土镁合金，同时开发成本低、性能好的新型稀土镁 合金，对镁合金材料和稀土材料领域的发展将具有极大的推动作用。我国作为稀 土、镁资源储备、生产、出口第一大国，充分利用国家的稀土产业发展基金、 “十五”规划中镁合金领域研究基金，稀土、镁产业的优惠政策，推动稀土、镁 资源优势向经济优势的转化，研制具有更好耐热性能的稀土镁合金材料并推广应 用，成为一项紧迫的任务1 1 01 1 1 。 1 2 稀土元素和镁合金 1 2 1 稀土在镁合金中的主要作用 稀土元素由于具有独特的核外电子排布，在冶金材料领域中有其独特的作 用。它可以净化合金溶液、改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能、增强 一7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 合金耐蚀性能等【1 2 1 。因此，稀土作为主合金元素或微合金化元素，被广泛应用 在钢铁及有色金属合金( 铜、铝、锌等合金) 中。在镁合金领域，稀土优异的净化、 强化性能不断被人们认识和掌握，开发出一系列含稀土的镁合金它们具有特有的 高强、耐热、耐蚀等性能，可以拓展镁合金的应用领域。 稀土元素提高镁合金耐热性的机理是使晶界和相界扩散渗透性减小，使相界 的凝聚作用减慢，且第二相在整个持续时间内始终是位错运动的有效障碍。稀土 元素可减少金属表面氧化物缺陷集中，以及改变其结晶晶格的参数，从而使合金 具有优良的高温抗氧化性能。稀土在镁合金中具有去氧除氢、提高铸造性能、提 高合金强度特别是高温强度和蠕变性能等作用。 添加重稀土元素可提高镁合金的抗蠕变性能和力学性能【1 3 1 5 】。复合添加稀土 元素，可获得高热稳定性的镁合金【临墙l 。至今应用比较成功的商用合金有 h 取m g - n - z l l - 砷、h m ( m g n - z i l m n ) 、心“m g - y - n d - 砷和q e ( m g - a g - n d - 砷 等。由于t h 的放射性，h k 、h m 合金被限制使用。近年来，人们对m g g d y - z r 系合金进行了大量研究，发现m 分g d y z r 合金的高温强度和抗蠕变特性优于 w e 合金【1 6 】。早在2 0 世纪7 0 年代，d r i t s 等就研究了变形镁合金m g 9 g d 5 y m n 优良的耐热性能【1 9 】。d r i t s 等提出的m g y - g d 三元合金的过饱和固溶体基本上是 按两种不同的析出序列分解的，即m g - y 型和m g g d 型【孙2 1 1 。这些二元合金的 析出序列因复杂的稀土而变化【1 训，文献l 矧对m g g d y z r 合金峰值时效时的析出 相作了高倍透射电镜分析，发现峰值时效的析出亚稳相b ”和b 是并存的。h m 合 金比h k 合金更多应用于较高的温度场合，它们在合金成分上的差别在于前者加 m n 后者加z r 。对于以m g g d y 为基的合金m g g d y - m n 和m g g d y - z r ，它们 的热加工样品都具有很好的室温和高温性斛1 4 j 。 其作用主要有以下几点： 1 去氧除氢在镁合金中，氧化夹杂主要为m g o ，由于稀土元素与氧的亲和 力大于m g 与氧的亲和力，因此，稀土加入镁合金液后将生成稀土氧化物，从 而起到去除氧化物夹杂的作用。在熔炼过程中，由于镁与水气的反应使镁合金具 有较强的吸氢倾向，而溶解于镁合金液中的氢，是铸件产生气孔、针孔及缩松等 铸造缺陷的原因，因此，必须降低镁合金液中的含氢量。当稀土元素加入镁合金 液后，稀土元素与水气和镁液中的氢反应，生成稀土氢化物和稀土氧化物，从而 一8 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 达到除氢的目的【2 3 州。 2 提高流动性稀土能够提高镁合金的铸造性能，特别是流动性。这是由于： ( 1 ) r e 与m g 能形成简单的共晶体系；( 2 ) r e - m g 合金结晶温度间隔小； ( 3 ) r e 与m g 形成的低熔点共晶体具有很好的流动性。因此，r e 加入m g 合 金后，合金的流动性增加，缩松、热裂倾向减少1 2 3 1 。例如，m g ( 5 6 ) z 1 1 z r 合 金具有良好的拉伸性能，但是其流动性差、显微缩松倾向大，以至不能用于铸造 薄壁复杂铸件。将稀土加入合金中后，则大大改善了m g z 1 1 z r 合金的铸造性 能。 3 强化作用二元m g r e 合金的室温拉伸性能都很差，不具有作为结构应 用的意义，其主要原因是这些合金晶粒粗大而导致性能降低，自从发现z r 在镁 合金中具有显著的晶粒细化作用之后，解决了这一问题，从而开发了一系列含稀 土的镁合金。尽管稀土对铸态镁合金的室温拉伸性能影响很小，但是却显著提高 镁合金的高温拉伸性能和蠕变强度，特别是对低铝的m g 舢合金，这一效果尤 为突出。在镁合金中加入稀土元素，能使合金中均匀弥散地析出热稳定性高的析 出相，这对于提高镁合金的室温、高温强度和断裂性能非常有效。稀土元素狭义 上指由镧到镥的1 5 个镧系元素，广义的稀土元素则再加上对耐热镁合金来说是 非常重要的钪和钇，共1 7 个元素。这些元素具有极相似的性质，在镁中的最大 固溶度较大，而随着温度的降低，固溶度急剧减小，在4 7 0 k 附近仅为最大固 溶度的十分之一，因此可得到非常大的过饱和度。此外，稀土元素在镁中一般扩 散较慢，析出相热稳定性高。稀土镁合金在7 7 3 8 0 3 k 固溶处理，淬火得到过 饱和固溶体，在4 2 3 5 2 3 k 附近时效会获得显著的时效硬化效果。其主要特征 是时效初期形成六方d 0 1 9 型结构，时效中期析出相为b 相，此时可得到最高的 强度，时效后期为平衡析出相冽。 4 提高耐蚀性研究表明，m g - 1 0 g d ( 或d y ) 3 n d z r 合金在盐溶液中浸泡 时，通过g d 和d y 而获得稳定的保护膜，结果使这些合金的铸态和固溶处理试 样的耐蚀性与具有良好耐蚀性的a z 9 1 d 合金相当，其峰值时效试样的耐蚀性比 a z 9 1 d 更高【2 3 ，2 5 1 。 一9 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 稀土镁合金的发展 稀土镁合金的研制可追溯到2 0 世纪的2 0 年代，当时德国进行了 m g m m ( m m 为混