（材料加工工程专业论文）Mglt2gtSi粒子增强MgAl基复合材料的制备与性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 m 9 2 s i 粒子增强m g - a i 基复合材料的制备与性能研究 摘要 本文针对镁合金存在的力学性能，尤其是高温力学性能较低的问题，较全面 的研究了混合稀土、锶等合金化，以及m s i 白生粒子对m g - 赳合金组织、室 温力学性能、高温力学性能及高温性能稳定性等的影响，并从热力学及动力学角 度进行了s i 与m g - a l 合金熔体的反应可行性分析，推导了s i 0 2 与m g - a i 合金液 反应机理，建立了反应动力学模型 研究结果表明，s r 对m 9 4 a 合金具有较好的细化效果，0 1 的s r 使固溶处 理后的晶粒尺寸由1 2 0 - 1 6 0 1 m a 减小到5 0 8 0 1 u n ；t 6 状态下室温抗拉强度由 1 4 7 7 7 m p a 增长为1 8 3 2 5 m p a ，维氏硬度由8 5 增长为1 0 2 r e 对提高含铝镁合 金的力学性能特别是耐热性能具有良好的效果，2 的r e 与合金中的a l 形成针 状或片状高熔点的a i l l r e 3 增强相，跨于晶界并深入晶内；1 6 状态下室温抗拉强 度增加到1 7 3 2 5 m p a ，维氏硬度增加到1 0 3 ；断口形貌变为由浅韧窝、窄台阶组 成的韧性混合断口 s i o z 粉末与m g 舢合金自生反应生成m s i 增强相，研究发现随着s i 0 2 加 入量的增加，m 9 2 s i 颗粒形态逐渐由共晶态的针条状转变为初生态的箭头或汉字 状；复合后t 6 状态下材料的室温抗拉强度和维氏硬度分别提高了2 0 ，7 和 2 2 3 ，2 0 0 和2 5 0 高温抗拉强度分别为1 1 1 2 m p a 和7 9 6 m p a 另外研究还发现，s f 对复合材料中m s i 有变质效果，减小m 9 2 s i 颗粒尺 寸，r e 合金化使组织中针状或片状处形成了r e 、s i 等元素的聚集，可能归因 于部分a 1 l l r e 3 作为m 9 2 s i 相形核基底或者r e - s i 新相的形成：t 6 状态下s r 、 r e 合金化后的复合材料室温抗拉强度分另提高了7 2 和5 1 ，维氏硬度分别 提高了5 8 和7 7 ，2 0 0 高温抗拉强度增长为1 2 3 4 m p a 和1 4 3 3 m p a ，2 5 0 高温强度为8 7 6 m p a 和9 5 5 m p a 摘要 对复合材料的性能热稳定性研究表明，在3 0 0 c 处理条件下，材料力学性能 峰值集中出现在1 2 1 6 小时，随后迅速下降。其中合金下降过程中速度较快，各 种复合材料变化曲线相对较平缓，显示了较高的热稳定性。 关键词m g - a i 合金m 9 2 s i 粒子复合材料 显微组织性能 山东大学硕士学位论文 t h es t u d yo nt h ep r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fm g - a l b a s e dc o m p o s i t i o nm a t e r i a l se n f o r c e db ym 9 2 s ip a r t i c l e s a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so fm ga l l o y se s p e c i a l l ya th i g h t e m p 豇- d t u f o , t h i sp a p e rm a i n l yd e e l e dw i t ht h ee f f e c to fm i x e dr e ，s ra n dm 9 2 s i i n - s i t up a r t i c l e s0 1 1t h em j c r o s t n l c t u r e , m e c h a n i c a lp e - o m l 触i c 韶a tr o o m h i 【g h t c m p e r a t u r ea n dt h eh i g h - t e m p e r a t u rp r o p e r t i e ss t a b i l i t yo f m g - a ia l l o y s , r e s p e c t i v e l y o nt h eb a s eo f t h ea n a l y s i so f t h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c s , t h er e a c t i o nf e a s i b i l i t yo f s iw i t hm y - a ! a l l o ym e l tw a sd i s c u s s e d ；t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo fs i 0 2a n dm g - a 1 a l l o ym e l t w a si n f e r r e da n dr e a c t i o nk i n e t i c sm o d e l sw e l ee s t a b l i s h e d i tw a sf o u n dm a tt h ea d d i t i o no fs ri so fe x c e l l e n tr e f i n e m e n te f f e c to nt h e m i c r o s t m c t u r eo fm g - a ia l l o y t h eg r a i ns i z ea f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n td e c r e a s e df r o m 1 2 0 - 1 6 0 1 a nt o5 0 8 0 p mu n d e rt h ea d d i t i o no fo 1 s r t h et e n s i l es t r e n g t h 缸 r o o m - t e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m1 4 7 7 7 m p at o1 8 3 2 5 m p aa n dv i c k e r sh a r d n e s s i n c r e a s e df t o m8 5t o1 0 2a lt 6s t a t e t h ea d d i t i o no fr es h o w e da l le x c e l l e n te f f e c t o ni m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e se s p e c i a l l yt h eh e a t - r e s i s t a n ta b i l i t , o fm g a l l o yc o n t a i n i n ga i t h eh i g hm e l t - p o i n tp h a s eo fa i u r e 3w i t ht h em o r p h o l o g yo f n e e d l eo rp l a t ew a sf o r m e da tt h ec o n d i t i o no f2 w t r ea d d i t i o n , w h i c hc r o s s e dt h e g r a i nb o u n d a r i e sa n dp e n e t r a t e di n t og r a i np a r t i c l e s t h et e n s i l es t r e n g t ha n dv i c k e r s h a r d n e s so f t h em g - a ia l l o yw i t h2 w t r ew e r e1 7 3 2 5 m p aa n d1 0 3u n d e rt 6s t a t e r e s p e c t i v e l y t h em o r p h o l o g i e so f f r a c t u r ec h a n g e dt ot h eh a c l d yc o m b i n e df r a c t u r eo f l o wd u c t i l es o c k e t sa n dn a r r o ws i d e s t e p s t h ei n - s i t ur e a c t i o nb e t w e e ns i 0 2p o w d e ra n dm g - a l - z na l l o y sr e s u l t e di nt h e f o r m a t i o no ft h ee n h a n c e dp h a s eo fm 9 2 s i w i t ht h ei n c r e a s eo fs i 0 2a d d i t i o n , t h e m o r p h o l o g yo fm g e s ip a r t i c l ec h a n g ef r o mn e e d l eo rs t r i po fe u t e c t i cm o r p h o l o g yt o i i i a b s t r a c t a r r o w h e a do rc h i n e s ec h a r a c t e r so fn a s c e n tm o r p h o l o g y n 把t e n s i l es t r e n g t ha n d v i c k e r sh a r d n e s so f t h ec o m p o s i t ew e r ei n c r e a s e db y2 0 7 a n d3 6 。8 r e s p e c t i v e l ya t t 6s t a t e 。t h eh i g ht e m p e r a t u r et e n s i l es t r e n g t ho f2 0 0 a n d2 5 0 cw a s111 2 m p aa n d 7 9 6 m p ar e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n , i tw a sf o u n dt h a tt h ea d d i t i o no fs rc o u l dm i n i s ht h ed i m e n s i o no f m g a s ip a r t i c a lb e c a m eo fi t sm e t a m o r p h i s mf o rm 9 2 s i l i k e l i h o o da t t r i b u t et o t h e a d s o r p t i o ne a c ho t h e ro fa i h r e 3a n dm g a s i o rt h en e wp h a s em o r p h o l o g yo fr e s i ， t h em a s so f r e 、s ia p p e a r e d 丘d mt h en e e d l eo rs h e e ! a r e ai nt h es t r a c t u r e t h et e n s i l e s t r e n g t ho fc o m p o s i t i o nw e r ei n c r e a s e db y7 2 a n d5 1 r e s p e c t i v e l ya tt 6s t a t e a f t e rs ra n dr ea l l o y i n g t h eh i g ht e m p e r a t u r et e n s i l es t r e n g t ho f2 0 0 i n c r e a s e dt o 1 2 3 4 m p aa n d l 4 3 3 m p a , 2 5 0 t o8 7 6 m p aa n d9 5 5 m p ar e s p e c t i v e l y n l cr e s e a r c ho f g r f o r m a n c et h e r m a ls t a b i l i t yo f c o m p o s i t i o ns h o w e dt h a t , u n d e r t h ec o n d i t i o no f 3 0 0 ct r e a t m e n t , t h ep e r f o r m a n c ep e a ko f t h em a t e r i a la p p e a r e da f t e r 1 2 - 1 6h o u r st r e a t m ls u b s e q u e n t l yt h ep e r f o r m u c ed e c l i n e dr a p i d l y ；r e l a t i v e l y , t h e c u r v eo f c o m p o s i t i o nw a sv e r i f i e ds m o o t h l ya f t e rs rm e 组m o r p h o s ea n dr ea l l o y i n g t h e r e f o r et h ee x c e u e a tt h e r m a ls t a b i l i t yw a ss h o w e di nt h er e s e a r c h k e yw o r d ：m g - a la l l o y ；m g e s ip a r t i c a l ；c o m p o s i t i o n ：m i c r o s t r u c t u r e ： i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 孚担。 论文作者签名：2 签塑j i s 期： 一l、 d s 每。| d 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盛! 蓟导师签名： 冬毕期：蜱 山东大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 引言 在现今社会材料、信息、能源被称为现代文明的三大基础。材料的使用与发 展一直是标志人类进步的里程碑。新材料既是高技术的重要组成部分，又是发展 高技术的重要支柱和突破口，也是国民经济建设和国防建设的物质基础和先导。 在可望的将来，在实际应用中，金属材料的主体地位还难以改变，但是对金属材 料的高比强度和高比刚度的要求越来越高【1 1 进入2 1 世纪，资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题随着金属材料 消耗量的急剧上升和科学技术的飞速发展、大规模生产工艺的出现和广泛使用， 使地球表壳的资源日趋贫化我国是贫铜国家，铁的储藏量也不是很丰富，铝矿 的品质不高，因此从蕴藏量和品质方面以上几种金属元素在我国都不占优势，而 镁作为一种轻质工程材料其潜力尚未得到充分挖掘，开发利用还远不如钢铁、铜、 铝等成熟。面对很多传统金属矿产趋于枯竭的事实，加速开发镁金属材料是社会 持续发展的重要措施之_ 1 2 3 1 1 2 镁基合金的特点及应用 镁的原子序数为1 2 ，原子量为2 4 3 0 5 ，常温下镁为银白色金属，密集六方晶 格，无同素异构转变，熔点6 4 8 8 ，沸点1 1 0 7 c ，密度1 7 4 9 c m 3 1 4 s l 。镁具有优 良的切削加工性能，化学活性强，比重低，比热和膨胀系数大，弹性模量低等特 点1 6 1 ，同时又具有耐磨性差，抗腐蚀性差，易燃等缺点m 镁合金具有良好的导电导热性，高的比强度和比刚度，良好的阻尼减震性能、 磁屏蔽性、机械加工特性和尺寸稳定性，特别是利于回收利用。具有环保特性， 镁合金被公认为是面向2 l 世纪的高新技术产业中最有希望大量采用的金属材料 之一，被誉为“2 l 世纪绿色环保功能材料”和“2 l 世纪超轻金属材料”i s - 1 镁的商业性生产已有个世纪的历史，过去镁合金作为结构材料主要用于航 天工业近年来，随着环保和节约能源可持续发展要求的提高，用镁合金零件取 第一章概述 代原有铝合金甚至钢和铸铁零件的改革，引起了美国，欧盟和日本等汽车大国的 极大关注掘报道，汽车自重每减轻1 0 ，燃油效率可提高5 5 ，每百公里耗油 减少0 7 l 1 1 2 1 。德国大众汽车公司最早在“甲壳虫”轿车上大规模应用镁合金【l 】 其他汽车公司如通用、福特、戴姆勒境莱斯勒、菲亚特等，都相继生产镁合金壳 体、支架类零伴”l 。 镁合金在电子工业中的应用也具有很大的潜力，已广泛应用于电脑、移动电 话、小型摄录像机及军用便携式通讯器材的壳体【1 4 1 在航空航天领域，由于镁合 金具有密度小的巨大优势，随着其耐热、耐腐蚀性能的提高，不断替代耐热铝合 金、钛合金零件。密度最小的m g - l i 合金具有很高的强度、韧性和可塑性，是航 空航天及重要运输工具中很有发展前途的材料，可用于制作各种框架，壁板，起 落架的轮毂，发动机的机匣、机架，仪表电机机壳等。 随着镁合金的应用领域不断扩大，给镁合金发展带来了巨大的契机。世界对 镁需求正以4 - 5 的年率增长，预计到2 0 1 0 年世界的镁需求将达到6 0 0 k t ，镁合 金的发展将成为世人关注的热点。 1 3 镁合金的类型及发展趋势 根据生产工艺的不同，镁合金可分为铸造镁合金和变形( 轧制、挤压、快速 凝固等) 镁合金两大类。变形镁合金主要应用汽车工业减轻汽车重量、在电子工 业中是通讯工具理想的壳体材料、是航空航天及重要运输工具很有发展前途的材 料、在兵器等各种军用领域有广泛应用背景、在办公、家用和体育用品方面可替 代许多塑料制品【l5 1 轧制成形在国外刚刚研制成功，当前主要使用铸造成形工艺。 铸造成形工艺可分为重力浇注( g r a v i t yd i ec a s t i n g ) 、低压铸造( 1 0 wp r e s s u r ed i e c a s t i n g ) 、半固态压铸( t h i x o c a s t j n g ) 、触变注射成形( t h i x o m o l d i n g ) 和压铸q i g l l p r e s s u r ed i ec a s t i n g ) r 1 6 1 。 根据化学成分的不同，镁合金可分为镁一铝系合金、镁一锌系合金、镁一稀土系 合金、镁一锂系合金等【1 7 1 。( 1 ) m g - a i 系合金是应用最为广泛的一类合金，压铸 合金主要是m g a i 系合金。为改善合金的性能如韧性、耐高温性、耐腐蚀性，以 m g - a i 系为基础添加了一系列合金元素形成了a z ( m g a i z n ) 、a m ( m g - a i m a ) 、 a s ( m g - a i s i ) 、a e ( m 哥趟- r e ) 系合金【。( 2 ) 二元m g - z n 合金具有明显的时效 2 山东大学硕士学位论文 i iii p ! e e 目e e e e | e | e ! e ! ! 目e e i 硬化特性，有共格的g p 区。在m g - z n 二元系基础上发展起来的常用m g - z n 合金 有：m g - z n - z r 合金、m g - z n - r e 合金以及具有良好综合力学性能的新型m g - z n - c u 合金1 1 9 1 ( 3 ) m g 合金中加入r e 元素可以有效提高合金的室温和高温力学性能。 在m g - r e 系合金中，m g - y 系合金是性能十分优异，有发展潜力的一类耐高温合 金。( 4 ) m g - l i 系合金在工业上具有实用价值的有l a l 4 1 、l a 9 1 及l a z 9 3 3 t 2 0 。 m g - l i 合金比强度高、振动衰减性好、切削加工性能好，是用于宇航工业理想的 材料。事实上，m g - l i 合金中最具有代表性的l a l 4 1 a 合金就是由美国国家航空 和航天局( n a s a ) 于1 9 6 0 年开发并用于制造人造卫星及航空器部件的仁“ 镁合金的发展潜力为其广泛应用提供了广阔的发展空间，随着各国研究的不 断深入，一些问题不断得到解决，概括起来表现在以下几个方面【l 】= 1 抗腐蚀性能的有效提高：通常认为，镁合金的耐腐蚀性不佳，但是最近有 了令人瞩目的进展。采用重金属杂质( 如铁、铜和镍) 含量较低的高纯原材料， 或者采用s f e 气体保护熔炼，有效地提高了合金的耐蚀性。高纯的a z 9 1 e 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，也超过了压铸铝合金a 3 8 0 ，比低 碳钢好得多 2 高温性能的显著改善：原先，镁合金的高温性能较差，因而限制了镁合金 的应用但是，近年来镁合金的高温性能有了显著提高例如，m g - z r 合金不仅 在室温下的力学性能有了很大改善，而且其高温性能也得到了很大提高，过去只 能耐1 5 0 ，现在能耐3 0 0 高温。同时，m g - t h 合金z t 和z t 6 在3 5 0 c 高温中 能保持离抗蠕变性能。这种合金，主要用制造飞机发动机，作为高温铝合金和钛 合金的替代材料在汽车工业中，传统的高温镁合金主要是a s 系列，由于含 量的减少和s i 元素的加入，；减少t m g l 7 m 1 2 相而得到了硬度和熔点都很高的m 9 2 s i 相，提高了合金的高温强度。最近的发展是通过添加稀土元素得到了高温强度更 优良的a e 铝镁合金。由于稀土( 般为富铈混合稀土) 元素的加入，在晶界生 成的高熔点化合物m g l 2 c e 对晶粒起到钉扎作用，从而提高了合金的高温强度和蠕 变强度 3 镁合金的半固态铸造；镁合金的半固态铸造类似于铝合金半固态铸造，即 将事先制备好的棒材，按一定尺寸切断，通过加热至固相率为4 0 6 0 的温度， 第一章概述 1 然后进行挤压铸造成形这种方法的优点在于成形的铸件质量好，无气孔和缩松， 而且成形温度低，铸型寿命长。 4 镁基复合材料：镁合金基复合材料是新开发的产品，以颗粒形碳化硅作为 加强相，主要效果是提高了弹性模量。与没有增强相的镁合金相比，弹性模量高 了4 0 ，而其密度只有2 0 9 e r a 3 镁合金基复合材料较普通镁合金具有更好的耐 磨性和较低的热膨胀系数。 1 4 镁合金微合金化的研究状况 镁是工程应用中最轻的金属，但因纯镁的力学性能和抗腐蚀性能低，其应用 较少，可通过添加一定量的合金元素来改善镁合金的力学性能和抗腐蚀性。镁合 金的合金化原则与铝合金大致相同，它们都是利用固溶强化和时效处理所造成的 沉淀硬化来提高合金的常温和高温性能。因此，所选择的合金元素在镁基体中应 有较高的固溶度，并随温度有较明显的变化，在时效过程中能形成强化效果显著 的第二相。常用的镁合金微合金化元素主要有c 、s n 、c a 、r e 、z r 、s r 等。 1 4 1 含碳材料处理 镁合金熔体中引入含碳气体，如c 0 2 、乙炔和天然气等，会获得与过热处理 同样的细化晶粒的效果。但是。当合金重熔或者在较低温度下保温时间过长，也 会出现细化效果衰减的问题。颗粒状石墨或者碳化铝颗粒具有细化组织的作用， 但是也存在在熔体中很难熔解或者分解的闯题。2 0 世纪8 0 年代以来，国外致力 于利用c 来提高镁合金的高温抗拉强度和蠕交性能。另外，含碳有机物如c c h 、 c 2 c 1 6 由于在细化晶粒的同时能够起到除气的效果，因此也广泛应用于m g - a i 系 合金的组织细化中。但是这些含碳有机气体的加入，不仅需要较高的温度，而且 会产生c h 、h c | 等有害气体，造成环境污染。 1 4 2c a 元素微合金化 c a 有明显细化晶粒作用，抑制熔体金属的氧化，可改善抗蠕变性能。早在 1 9 6 0 年就发现c a 加入砂型铸造m g - a i - z n 合金中可提高高温抗拉强度和蠕变性 能。研究发现，微量c a 的添加能够改善a s 系合金中粗大的汉字状m 9 2 s i 相，细 化m 9 2 s i 颗粒，提高a s 系列镁合金的组织和性能嘲c a 在合金中主要溶解于 p - m g l 7 a 1 1 2 ，不形成新相。d t a 分析表明，c a 溶入m g l 7 a l l 2 后提高了它的熔点， 山东大学硕士学位论文 亦即提高了它的热稳定性。这一点对合金的高温性能十分有益，使合金的蠕变性 能得到大幅提高，性能最好的是含0 3 ( 质量分数) 的c a 和2 的r e 合金，它 在2 0 0 c 5 0 m p a 下的蠕变速率相对与基体合金a z 9 1 降低了一个数量级。单独加 入c a 对铸态a z 9 1 合金有脆化作用，使得合金的屈服强度和抗拉强度趋于接近， 而延伸率下降嘲 1 4 38 i 元素微合金化 s i 是弱的晶粒细化剂，在组织中形成硬的硅质点，可改善蠕变性能。在传统 的高温压铸耐热镁合金a s 系列中，由于a l 的减少和s i 的加入，减少了m g , t a i l 2 相，从而提高了硬度，增加了熔点相对较高的m 9 2 s i 相，它一部分可成为基体a - m g 非均匀形核的核心，另一部分可能聚集在初生a - m g 相前沿从而阻碍其枝晶组织 的生长，使晶粒得到细化，提高了合金的高温强度。最近美国开发的z a c 8 5 0 6 ( m g - s z n - 5 a i - 0 6 c a ) ，以及加拿大研究的m g - 5 a i - 0 8 c a 等镁合金，其抗拉强度 和蠕变性能都较好i 硎。 1 4 4s n 元素微合金化 镁合金中加入第，v 族元素( s n ，p b ，b i 、s b 等) 对提高合金的室温和高温 强度有益s n 对镁的强化作用不因为温度的升高而消失。孙扬善等对 a z 9 1 - ( o 3 呦s n 合金的研究表明，加入少量的s n ( 0 5 呦显著提高a z 9 1 的高温性 能，尤其是屈服强度提高了近l 倍。其原因是合金时效后在晶界析出弥散分布 m 9 2 s n 相，它具有立方c 1 晶体结构和远高于基体的熔点，有效的抑制了拉伸时 的晶界滑移1 9 在m g - 9 a i - 0 8 z n 合金中加入微量的s n 能有效地提高合金的耐热 性，但是过多的s n 加入反而会导致合金高温( 1 0 0 ) 强度的下降。 1 4 5z r 元素微合金化 厶是作为细化不舍铝的镁合金组织( 如m g z n 系、m g - r e 系等) 最常用的 元素，这是因为z r 能与合金中的a l 等发生反应，从而降低细化效果z r 细化镁 合金晶粒的主要机理一般认为是：舀在液态镁中的溶解度较小，当液态镁结晶时， 盈以a - z r 质点形式优先析出，而a - z r 与m g 都具有密排六方品格，因此可以作 为异质核心促进合金的晶粒细化【7 0 1 由于压的熔点高、密度大，通常采用m g - z r 中间合金的形式加入，并且采用适当工艺措旌，避免因密度差较大造成的偏析 第一章概述 p i i 鼍皇皇舅皇墨鼍置墨置葛量置鼻喜詈詈冒皇皇詈詈寡曼| 曼鲁喜鲁量鼍皇鼍葛詈皇詈鲁皇皇一 最近的研究发现，合金中c a 和z r 同时加入要比单纯的加入压取得更好的细化 效果【7 i l 。 1 4 68 r 元素微合金化 s r 是一种提高镁合金高温性能( 3 0 0 1 3 ) 的合金化元素，s r 可以提高镁固溶 体的熔点，它在镁合金中扩散缓慢且具有较低的密度g r u z l e s k i 和a l i r a v c i l 7 2 1 研 究发现，向a z 9 1 合金中加入0 0 0 5 0 0 - 0 0 3 的s r ，细化效果明显( 晶粒尺寸由 2 2 5 r a 变为7 5 1 5 0 n ) n u s s b a u 等m 】人研究发现，随着合金中s r 含量的增加， 合金中形成大量针状a 1 4 s r 和m 9 2 s r 相，虽然无法断定这两种相能否作为形核核 心，但理论上不排除这种可能。 s f 为表面活性元素，加入镁台金熔体中后，富集于晶粒表面和晶界位置以填 充晶界处的晶格空位，改善晶界附近的组织形态。向熔融的镁合金中加入质量分 数0 0 0 1 - 0 i 的s r ，最好是0 0 0 5 - 0 0 3 ，可以减小晶粒尺寸和缩松倾向、降低晶 粒生长速度，因此液体通道变宽，从而推迟通道封闭时间。 1 4 7r e 元素微合金化 稀土主要作为高强和耐热合金使用，由于稀士元素的合金化，不仅使镁合金 的强度提高了0 5 1 倍，极限工作温度提高到了3 5 0 ，而且铸造性能、耐蚀性能等 也得到了大幅度的提高。稀土能够提高镁合金的铸造性能，特别是流动性 7 4 1 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。尽管稀土对铸态镁合金的室温抗拉性 能影响很小，但是却显著提高镁合金的高温抗拉性能和蠕交强度，特别是低铝含 量的m g - a i 合金，这一效果尤为突出。这是因为高温下镁中稀土元素低的扩散速 度，a i n r e 3 有高的熔点，这使其加热稳定性好。a i n r e 3 相在5 0 0 c 热处理条件 下依然能保持稳定，因而高温时能有效地防止晶界滑移和裂纹生长，并且高温性 能会得到进一步改善 1 5 耐热镁合金的研究和应用现状 世界上镁合金铸件已经引起高度重视，在汽车工业中，用镁合金压铸件替代某 些部位的其他合金铸件，以降低汽车的重量，从而降低汽车的成本，因此，如何改善 6 山东大学硕士学位论文 镁合金铸件的热稳定性，使其在2 5 0 3 5 0 的高温下仍能长期工作，成为人们的研 究热点。 材料的耐热性是指在高温和外加载荷作用下，抵抗蠕变及破坏的能力高温 蠕变变形的微观机制不仅包括滑移，而且晶界参与形变，并且形变量显著。研究 表明，在高应力作用下，六方晶格的纯镁及镁合金相对于铝合金更易于发生晶界 滑移圈 从合金晶体结构的强度观点出发，耐热镁合金设计应从限制位错运动和强化 晶界入手，这意味着通过以下几种方式来实现提高镁合金热强性和高温蠕变抗力 的目的： ( 1 ) 引入热稳定性高的第二相； ( 2 ) 降低元素在镁基体中的扩散速率； ( 3 ) 改善晶界结构状态和组织状态。 其中，( 1 ) 可以通过加入能形成稳定的金属间化合物的合金元素或直接引入弥散 强化的第二相来实现，而( 2 ) 、( 3 ) 均可以通过合金化或微合金化来实现 2 2 1 。 常用的耐热镁合金按其合金元素不同可以分为以下几大系列： 1 5 1b g - - a i 系耐热合金 m g - a 1 基合金是目前广泛研究的耐热m g 合金这一系列合金连续析出的时效 析出相为m g l 7 a i l 2 这种板条状的析出相熔点较低，仅为4 3 7 ( 2 合金中9 0 以 上的m g l t a l l 2 平行于m g 基体的( 0 0 0 1 ) 基面析出，且与基体之间无共格关系， 不能为位错运动提供大的阻力，时效硬化效果不明显；另外，随温度升高，m g l 7 a l l 2 发生不稳定相交，极易软化、粗化，不能有效钉孔晶界，因此研究发现，利用合 金元素的加入。可以改善m g l 7 a 1 1 2 的形态，或者形成新的析出强化相，从而提高 合金的抗高温蠕变性能。 研究发现s r 、l i 、c a 、b a 、b i 等能改善a z 9 1 合金中m g l 7 a i l 2 相的形态和晶 粒大小1 a z 9 1 合金中加入0 5 s n ，析出弥散分布的m 9 2 s n 相，有效抑制了晶 界滑移，使屈服强度提高了近l 倍嗍b i 、s b 的加入，使合金中析出高热稳定性 的m 9 3 a i 2 相和m 9 3 s b 2 相，并且在时效过程中还阻止了粗大不连续析出相的形成。 促进晶内与基体具有共格结构的细小连续m g j 7 ( a i ，z n ，b i ) 1 2 和m g ( a i ，s b ) 1 2 相的析出，从而提高了耐热性能嘲m g - a i 合金中加入s i ( 如a s 系列) ，形 7 第一章概述 成细小的弥散析出相m 9 2 s i ，改善合金的耐热性能1 2 。2 6 a f a 2 ( m g - a i - r e ) 中的 a i r e 化合物具有较高的热稳定性，可以有效钉扎晶界而阻碍晶界滑动，因此具 有较好的耐热性，特别适用于1 5 0 c 环境下使用的工件。 碱土金属c a 、s r 等与稀土金属元素具有某些相似的行为，2 0 世纪9 0 年代后 期，添加碱土金属元素的新型耐热镁合金逐渐占据了市场，表1 1 所示的是部分 耐热镁合金的化学成分。 表i - 1m g - a i 系部分耐热合金的化学成分捌 t a b l e l - lc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f m g - a is e r i e sh e a tr e s i s t a n ta l l o y s ( ) l ”删 1 5 2m g - - z n 系耐热合金 由于z n 增加热裂倾向和显微疏松，因此m g - z n 系合金中第三组元元素的选 用应考虑克服m g - z n 二元合金所固有的脆性以及热收缩性。 m g - z n - c u 合金在1 5 0 。c 下高温性能较高，可用于汽车发动机部件和推进器【2 9 1 ， 但是这类合金的耐腐蚀性能较差【3 0 1 。h o r i e 等人的研究表明，在含z n 小于4 的 m g - z n 合金中添加大于0 5 的c a ，在1 6 7 。c 以下析出几个原子层厚的细小盘片状 化合物，可以显著提高m g - z n 合金的高温抗蠕变能力；当温度高于1 6 7 ( 2 时，析 出相粗化，合金抗蠕变性能恶化1 3 p e r k 等人研究发现，m c z c 合金 ( m g - 6 z n - 5 c a - 2 c o ) 具有比m c z z 合金( m g - 6 z n - 5 c a - 0 5 z r ) 更高的热 稳定性口2 1 铸态m c z c 合金中，化合物相为m g - c am g - c a z n 沉淀相；1 5 0 c 、 1 h 时效后，沿晶界析出大量更细小的m g c a - z n - c o 四元沉淀相，使合金进一步强 化阎。 1 5 3m g - - z n - a i 系耐热合金 山东大学硕士学位论文 这一系列合金是在现有a z 系合金组成元素基础上，增加z n 含量、控制z n a l 比，从而开发出一类新型合金z a 系镁合金，如z a l 0 2 、z a l 0 4 、z a l 2 4 、z a l 4 4 等。z a 系合金中主要化合物相为m 9 3 2 ( a i ，i n ) ，熔点为5 3 5 c ，比m g l 7 a i l 2 具有较高的熔点和高温热稳定性，但是韧性较差，延伸率低在z a 系合金中加 入c a 、s r , 可以提高合金的蠕变抗力阴观 i m r aa m e r i c al n c 开发的z a x 8 5 0 6 专利合金在1 5 0 c 是拉伸屈服强度高于 i1 0 m p a l 3 6 1 。韩国现代公司和日本l y o a 工业公司分别开发出m g - a l - z n - s i - c a p 7 】和 m g - a i - z n - s i - s 一8 恰金，通过c a 、s r 等碱金属元素改变合金中m 9 2 s i 增强相的形 态及尺寸，从两获得高强、商蠕变抗力的合金。另外日本m i t s u b i s h ia l u m i n i u m 和 以色列d e a d s e a m a g n e s i u m l t d 、德国v o l k s w a g e n a g 等也开发了m g - a i z n 系 多元耐热合金 3 9 - 4 0 l 。合金成分如表卜2 所示 表1 - - 2m g - z n - a i 系部分耐热专利合金的化学成分阎 t a b l e l - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f m g o z n - a is e r i e sh e a tr e s i s t a n tp a t e n ta l l o y s l 2 2 1 1 5 4m g - - r e 系耐热合金 稀士镁合金石耐热镁合金中开发和应用比较成功的一类合金。目前，含稀土 镁合金牌号已占镁合金牌号总数的5 0 以上。稀土元素在镁中具有较大的固溶度 9 第一章概述 极限，而且随温度下降，固溶度急剧减少，可以达到较大的过饱和度，从而在时 效过程中析出弥散强化相。 1 9 4 7 年，s a u e r w a r d 发现压在m g r e 合金中具有显著的晶粒细化效果 m g - r e - z r 中加入z n ，可以进一步提高合金力学性能，由此开发出了e z 3 3 ，z e 4 1 ， e k 3 0 a 等合金其中，e k 3 0 a 满足了2 0 5 强度和抗蠕变性能的要求，在航空发 动机上得到了应用：e z 4 1 可应用于2 0 0 工作的零件；e z 3 3 具有更高的蠕变抗力， 最高工作温度可达2 5 0 0 t 2 5 】。a g 能改善m g - r e 舍金的时效硬化效应，因此开发 了e q 2 1 、q e 2 2 、q m l 等合金。在室温到2 0 0 范围内具有良好的抗拉性能和蠕 变抗力，长期以来广泛应用于飞机、导弹部件的生产阅 钇、钪等稀土元素对镁合金拉伸强度和蠕变抗力具有较好的改善作用。含y 的w e 5 4 具有较高的耐热性能，工作温度可达3 0 0 ，室温、高温拉伸性能和抗蠕 变性能都非常优越，并且具有优良的抗腐蚀性能。目前广泛应用于赛车及航空飞 机器变速箱壳体上的w e 4 3 合金也是在w e 5 4 基础上，降低y 、n d 含量制成的， 该合金能稳定应用于2 5 0 环境。2 0 世纪9 0 年代，德国科学家试制了m g - s c - m n 新型耐热镁合金，可望用于3 0 0 以上的工作温度1 4 1 删。 1 6 镁基复合材料的研究与发展现状 金属基复合材料( m m c ) - - 般由轻金属基体和强化颗粒或纤维组成，以最大限 度地发挥各种材料的特性，并赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。金属基复 合材料具有优异的性能：高温蠕变稳定性好，热疲劳抗力高，熟扩散系数小；表 观弹性极限、刚度、抗拉强度和疲劳强度高；材料阻尼性能好；耐磨性能好m 。 金属基复合材料具有可设计性的重要特征。随着汽车和航天航空技术的发展，以 轻合金为基体的铝基和镁基复合材料愈来愈显示出诱人的应用前景1 4 5 1 。与轻金属 铝相比，镁由于具有密度低等特点，在提高比强度比刚度上有更大的潜力。此外， 非连续增强镁基合金各向同性，有利于进行结构设计，可以二次加工成型，可进 一步时效强化，并具有高的强度、模量、硬度、尺寸稳定性，优良的耐磨、耐蚀、 减振性能和高温性能，因而逐渐受到航空航天、军工、汽车等高技术领域的重视。 1 6 1 镁基复合材料制备技术 m m c 的制造工艺方法通常分为三大类，扩散法、沉积法和铸造法比较常 山东大学硕士学位论文 用的方法有粉末冶金法、熔体浸渗法、搅拌铸造法和喷射沉积法等【5 7 删，各种方 法的优缺点如表t - 3 表l - 3 复合材料的制法比较帅1 t a b t e l 3c o m p a r i s o no f f a b r i c a t i o nm e t h o d so f c o m p i t c s 姊 方法 增强剂优点缺点 扩散法 粉末冶金颗粒，短纤维易处理生产率低，工艺复杂 扩散粘结连续纤维。金属丝方法完善 成本高，尺寸受限 沉积法等离子喷涂 颗粒，纤维整体方法 体积分数低 普通铸造法 颗粒整体方法 有反应活性 挤压铸造颗粒，连续、不连续高生产率，可一次形状、规格受限 纤维成型或二次加工 铸造法 挤压成型连续，不连续纤维近净成型，形状、工具成本高，生产率 高体积分数陶瓷颗粒尺寸、伸缩性强不高 半固态搅溶颗粒、不连续纤维成本低，可一次成 有反应活性。生产率 铸造型或二次加工不高 原位自生反应法是通过在其合金熔体中加入合金元素或化合物通过与母相 溶液的原位