镁合金材料发展前沿讲座.ppt

1、镁和镁合金材料的发展，二十一世纪对材料提出的新要求，轻量，高强度，绿色资源：可持续发展环境：可循环利用，降低污染，绿色材料交通运输行业：减量，节能，减排航天：轻量化其他(通信，电脑，消费系电子)产品：轻量化，减排一、镁及镁合金的特性、比重轻镁(1.74 )铝(2.70 )铁(7.87 )比强度和比刚性为铝， 比钢更高的良好的阻尼减振性能优良的导电性热传导性良好的电磁屏蔽性能良好的机械加工性能废弃物被称为容易再利用的二十一世纪的绿色工程材料，镁材和一些常用工程材料的力学性能的比较， 几种典型结构材料的比强度和比刚度的比较，二、镁和镁合金产品的应用，汽车、摩托车、飞机零部件(减振、节能、乘坐舒适度

2、提高)轿车用镁合金轮毂直升机变速箱，轿车用镁合金齿轮箱， 镁合金包层镁合金曲轴发动机后盖镁合金的前端，后轮毂镁合金后扶手镁合金锁。 全镁理念摩托车、12个零件换成镁合金(减量6Kg )、镁合金的高比强度、良好的电磁屏蔽和散热能力、优良的装饰和易于再利用的特点，是制造电子产品外壳的理想材料。手机、个人电脑、笔记本电脑等3C产品，全镁合金手机、笔记本电脑等3C产品，办公用品，兵器(减量)，航空机构产品，压力容器，三，镁合金研究发展历史，1755年，英国D.BLACK正式确定1808 英国的H.DAVY是制造镁汞的1828年，法国的A.BUSSY是用钾还原得到纯镁的1930年，德国的ALDER工厂使

3、用镁合金作为汽车零件的1936年，苏联使用镁合金作为飞机零件的第一次世界战后镁合金主要用于汽车，由于20世纪70年代镁合金应用下降，20世纪80年代能源危机，镁合金应用开始恢复，取得了显着进步。 世界镁合金消费量以每年20%的速度急速增加，1998年到2000年汽车镁合金使用量：北美从5.93万吨增加到7.85万吨欧洲从1.68万吨增加到2.68万吨日本从0.63万吨开始西方目标：各轿车使用镁合金3040Kg。 西方汽车制造商以单车用镁合金零件的多少作为测定汽车技术含量的重要指标。 四、镁和镁合金的研究现状和发展趋势表明：“在材料领域没有镁这样的材料，潜力和现实如此相反。 ”“这是一个很好的例

4、子。” 目前，三种主要的镁合金系列为Mg-Al合金、Mg-Zn合金和Mg-RE合金，镁不具备铝这样丰富的合金系列，需要大量开发新的镁合金系列。 镁合金材料根据生产方式主要分为铸造镁合金和变形镁合金两种。 国外专家认为镁合金的研究与开发基本上可分为四个阶段：铸造镁合金、压铸镁合金、变形镁合金、快速凝固镁合金。 图1-7镁工业发展战略示意图，国际镁协会(IMA )于2000年提交的镁合金材料发展战略示意图。 目前，主要采用传统铸造技术生产镁合金的最近研究主要集中在镁合金压铸和Thixomolding技术上的变形镁合金的发展是长期的目标和订划。 1 .铸造镁合金的大量镁合金产品采用铸造技术生产。 特

5、别是压铸法生产。 压铸工艺生产的镁合金，生产效率高，精度高，凝固组织优良，能生产薄壁及形状复杂的铸件。 最常见的压铸镁合金是Mg-Al系合金，通过铝合金化提高合金的强度，具有更好的铸造性能。 通过控制杂质含量，压铸工艺可以生产力学、耐腐蚀等综合性能优异的镁合金铸件，例如最常见、使用量最多的AZ91合金。金属镁的化学性质活跃，温度达到723K以上时开始氧化。 在熔融状态下，镁液容易与空气中的氧气、氮气、水分气体发生化学反应，在接近1073K的温度下立即氧化燃烧。 因此，在镁合金熔铸过程中需要保护。 镁合金阻燃抗氧化方法(1)助焊剂保护阻燃法。 在镁合金整个熔化过程中，在熔融剂保护下隔断大气来进行

6、。 镁合金用焊剂保护阻燃使用最快、最广泛，具有工业应用价值。 (2)气体保护阻燃法。 常用气体为SF6、CO2、SO2。 其中SF6为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金气氛。 但是SF6、CO2等气体具有很强的“温室效应”，为了污染环境必须找到合适的替代气体。 (3)添加合金元素的阻燃法。 只需在镁合金中加入少量的Be、Ca，即可制造闪点高的阻燃镁合金。 Be和O2生成的BeO膜致密，也有明显的阻燃作用，但Be、Ca的添加量需要严格控制，否则组织强烈恶化，晶粒生长和热裂纹的倾向变大。 在高温下使用的铸造镁合金的一般的Mg-Al、Mg-Zn系铸造镁合金的使用温度限制为150200C。 在更高温下

7、耐热镁合金的应用主要是Mg-RE、Mg-Th系合金。 钍是提高镁合金高温性能的最有效的合金元素，但钍的低放射性限制Mg-Th合金的应用。 Haughton和Prytherch等人最初报告了提高高温抗拉强度的Mg-Ce合金。 Leontis的成功证明Mg-RE合金的高温性能通过La、Ce、mm (富Ce混合稀土类)、Nd的排列得到了提高。 Sauerward发现了Mg-RE合金中锆(Zr )的晶粒微细化作用。 Payne等人发现添加银可以显着改善Mg-RE合金的时效硬化效果。 添加钪、钇对镁合金的有益影响是另一个重要发现，Drits等人开发出了一系列耐热高强度WE型镁合金。 这种合金的良好力学性

8、能广泛应用于赛车和飞机变速箱。 2、变形镁合金与铸造镁合金相比，变形镁合金材料具有比铸造镁合金材料更高的强度、更优异的延展性、更多样的力学性能，以满足更多样的结构需求。 新型变形镁合金的研究与开发、变形镁合金生产新技术的开发，是国际镁协会(IMA )于2000年提出的镁合金材料发展的最重要、最具挑战性、最长期的目标与订划。 变形镁合金和铸造、压铸镁合金的性能比较、镁和镁合金的塑性变形结构特性、金属镁的晶体结构225C以下仅限于0001滑动和锥面1012双胞胎。 在比较高的温度下发生1011滑移。 加入Li、In、Ag等使c/a滑动。 主要变形镁合金材料为变形镁合金Mg-Al-Zn系、Mg-Zn

9、-Zr、Mg-Mn系。 AZ31、AZ61、AZ80、ZK60、M1A。 超轻质Mg-Li系变形镁合金； LA141、Mg-40%Li (1.0 g/cm3)、1、发达国家非常重视镁合金的研究与开发。 美国镁合金材料系统的研制比较完善，合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE (稀土类)、Mg-Li、Mg-Th等，包括铸造(压铸)零件及板、棒、型材和锻件在内的美国是世界上最大的镁生产日本是1999年教育部、科技部、体育部和文化部共同举办的4年“platformscienceandtechnologyforadvancedmagnesiumalloy”。 着重研究了镁新合金、新技术，研制了超

10、高强变形镁合金材料和可冷压镁合金板材。 德国于1997年由政府教育部组织，由全国60多家企业、6所大学共花费2500万马克制定了高新技术制造技术发展规划，解决了镁合金生产中的各种技术难题。 英国将Mg-Al-B挤出镁合金开发成Magnox反应堆燃料箱。 以色列最近也开发了航天飞机兼备优异的力学性能和耐腐蚀性的变形镁合金。法国和俄罗斯都制造鱼雷动力电池用变形镁合金阳极薄板材料。 2、在先进的镁合金材料发展方向、镁合金晶粒细化多晶镁结构特征中，晶粒细化对屈服强度和延性改善具有很大的作用和潜力。 根据Hall-Petch公式，镁的Hall-Petch系数Ky=280MPam-1/2是铝的对应系数Ky

11、=68MPam-1/2的4.1倍。 这表明晶粒微细化对镁的强化作用远大于铝。 由于晶粒微细化镁力学性能的提高，其潜力远大于铝合金。 是开发镁合金最重要的因素之一。 晶粒尺寸对镁、铝的晶粒尺寸对镁的塑性的影响合金强度的影响、稀土类对纯镁的晶粒微细化的宏观形态、镁合金的Thixomolding技术Thixomolding镁合金设备以镁合金屑为原料，在机械套筒中，镁合金原料通过电加热成为半固态，通过对半固态合金施加剪切力，将枝晶固体分解为球状粒子，降低其粘度，提高流动性。 整个过程中不使用SF6气体或抗氧化剂，就能产生废弃物、废气、工业废弃物。 与压铸工艺相比，该技术的优点有： (1)铸件内部的质量

12、高，减少气孔，提高铸件的致密度；(2)产品的尺寸精度高，半固态浆料的低温比熔化金属冷却时的从热到冷的收缩小；(3)力学性能优异，该技术快速凝固镁合金PFC工艺Allied Signal公司的平面流铸造工艺PFC制造快速凝固镁合金PFC工艺生产的变形镁合金型材，成为迄今为止报道的性能最好的镁合金。 Osprey过程Mg-8.5Al-2Ca-0.6Zn-0.2Mn合金。 b=360MPa、0.2=305MPa、=9.5% KIC=35MPam1/2晶粒325m。 Mg17Al12、Al2Ca优先沉淀于晶界。 GA工艺： mg-16 % Li (40原子% )合金。 用气体雾化开发体心立方的Mg-L

13、i合金具有潜力。 气体雾化时加入氢，开发了Mg-16Li-0.12H合金。 LDC工艺： Mg-Zn-Zr合金在413C中固溶5h、205C时效、未再结晶及粗化、Al3Zr存在的理由。 非晶镁合金镁基复合材料、RS变形镁合金的开发原理： 1、晶粒微细化2、化学均匀性增加、耐损伤性大幅度改善3、晶粒微细化对Hall-Patch强化的影响4、形成多相分散体系。 快速凝固镁合金材料与以往的工业用镁合金及以往的铝合金相比，(1)室温比极限拉伸强度为以往的铸块冶金工艺(I/M )镁合金及最强铝合金的40%； (2)压缩强度/抗拉强度之比(CYS/TYS )从0.7增加到1.1以上，通常的变形镁合金的抗拉

14、特性发生了变化(3)挤出状态的制品的伸长率在5%的范围内，变形热处理后能够达到22%，相应的强度值依然为I/M岩浆(4)快速凝固镁合金的大气腐蚀行为相当于新型高纯度常规镁合金AZ91E及WE43和铝合金2024-T6，比其他镁合金的腐蚀速度小约2位数(5)快速凝固镁合金与其他轻合金相比，在373K以上的温度下优异的塑性变形(6)快速凝固镁合金与SiC等强化相的相容性得到证实，因此快速凝固镁合金是复合材料的优良载体。 快速凝固镁合金与其他轻质变形合金相比，镁合金的超塑性多数镁合金系(Mg-Li、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn等)及快速凝固镁合金具有明显的超塑性能。 晶界折变是镁合金超塑性的主要机理

15、。 晶粒下降到1 5m时，室温条件下也会发生超塑性。典型的镁合金超塑性实验，镁合金耐腐蚀技术，合金元素对镁合金腐蚀速度的影响，提高镁合金耐腐蚀性能的工作：添加提高镁合金纯度的新合金化元素开发新合金的表面保护化学处理，阳极氧化，有机物涂层电镀采用新技术和新技术的快速凝固技术、离子注入激光表面的熔化、添加合金元素后的Mg-Al-Zn合金盐雾腐蚀16h试样表面状态Mg-Al-Zn合金试样的腐蚀程度与时间有关，镁合金必然成为未来空中运输和陆地运输的重要结构材料。 断裂韧性的缺点和稳定达到的钝化程度一直阻碍着航空工业的应用。 五、中国镁合金材料的开发和研究情况，镁资源世界第一(菱镁矿储量世界第一27亿吨，白云石矿青海盐湖廉价镁盐31.5亿吨)原镁产量世界第一(20万吨，约占世界产量的1/2 )原镁出口世界第一49%铝合金14%稀土合金17%镁压铸18%炼钢脱硫2%金属还原，中国是镁资源大国和生产大国，而不是镁强国。 中国镁及镁合金产业具备的有利条件：中国生产能力在1000吨以上的镁工厂有50户，能够保证中国镁合金产品原料供应的汽车、摩