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1、n更多公司学院： 中小公司管理全能版183套讲座+89700份资料总经理、高层管理49套讲座+16388份资料中层管理学院46套讲座+6020份资料国学智慧、易经46套讲座人力资源学院56套讲座+27123份资料各阶段员工培训学院77套讲座+ 324份资料员工管理公司学院67套讲座+ 8720份资料工厂生产管理学院52套讲座+ 13920份资料财务管理学院53套讲座+ 17945份资料销售经理学院56套讲座+ 14350份资料销售人员培训学院72套讲座+ 4879份资料新型抗蠕变镁合金的研究卢志文 汪凌云 范永革 黄光胜（重庆大学材料科学与工程学院 430044 ）摘要： 提高镁合金的抗蠕变性
2、能，对扩大镁合金应用领域具有重要意义。本文讨论了抗蠕变镁合金的重要合金系：Mg-Y、Mg-Sc 和Mg-Gd ，探讨了镁合金蠕变机理和提高抗蠕变性能的途径。在分析也许提高抗蠕变性能的镁合金系的基本上，指出以稀土元素为重要添加元素，研制四元或超四元合金（Mg-Mn-Gd-Sc、Mg-Mn-Y-Sc、Mg-Mn-Y-Gd-Sc等）, 具有重要实用价值。引言 镁合金具有一系列优良性能如：比重小、比强度和比刚度高、切削加工性能良好、电磁屏蔽性能良好和减震性能良好等，且镁的资源丰富，易于制取，其应用愈来愈普遍，不仅在航空航天领域，并且在汽车和便携娱乐电子电器领域都得到了应用。据简介，欧洲和北美洲的汽车制
3、造商提出到，要是燃料消耗减少25%，CO2的排放量减少30%，以减少环境污染，实现可持续发展1。但是，镁合金的熔点一般在4706500C之间，其高温性能较弱，特别是变形镁合金，刚性低，活性高，易于反映腐蚀；如果在180 0C以上的温度环境工作，一般镁合金是不能满足需要的，必须对成分、组织加以改善，以其改善其性能。环绕提高镁合金的高温性能，世界各国都纷纷制定研发筹划，提高镁合金的高温性能，提高其抗蠕变性能，研制新型镁合金满足不断增长的工业需要。在抗蠕变镁合金研究方面，一方面在AZ系、AM系和AS系基本上，合适添加合金元素，以改善其性能，另一方面，开发新的合金系，提高高温性能，研制新型抗蠕变镁合金
4、。1 镁合金蠕变特点1.1 镁合金蠕变机理蠕变是一种高温条件下缓慢的塑性变形过程，与常温拉伸过程相比，在微观机制上不仅滑移系增移并且尚有晶界滑移。根据Von Mises准则，多晶体材料产生塑性变形并在晶界上仍保持其完整性，每个晶粒必须至少有五个独立的滑移系。镁合金是密排六方晶体，只有四个独立的滑移系，但在蠕变过程中晶界滑移将提供此外两个有效的滑移系。此时满足Von Mises准则。由于镁合金滑移系很少，因此残留的晶界位错将有很大的Buregrs矢量，在晶界处的应变水平将很高，在高温应力作用下镁合金比铝合金更容易产生晶界滑移2。镁合金的蠕变机理分为两个阶段，低温下以位错攀移为主，高温条件下以晶界
5、滑移为主3。据Mihriban O. Pekguleryuz等研究，镁合金蠕变的机理如图1所示。 图1 镁合金蠕变机理示意图1.2 镁合金蠕变性能的提高途径根据镁合金的蠕变特点和机理，提高镁合金蠕变性能的途径重要有基体强化和晶界强化2，6。1.2.1 基体强化提高镁合金基体高温蠕变性能的重要途径有固溶强化、析出强化和弥散强化。固溶强化是通过在合金中加入溶质元素提高其均匀化温度和弹性模量，减慢扩散和自扩散过程，减少了位错攀移的速率，因而合金的高温蠕变性能提高。析出时效强化是在时效过程中合金元素的固溶度而减少时形成散布的析出相，析出相与滑移位错之间的交互作用导致了合金的屈服强度提高。由于镁原子较大
6、，一般形成与镁基体非共格的复杂析出相。这些相的界面能很高，在高温下易粗化，难以对晶界起有效的钉扎作用。因此，提高镁合金耐热性的核心是改善析出相的晶体构造以减少它与镁基体点阵常数错配度并提高其熔点以减少其扩散性。弥散强化因弥散相具有很高的熔点并在基体中溶解度很小，其强化温度大大提高。据报道加拿大的ITM已在实验室中开发了两种弥散强化的镁合金2。1.2.2 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，导致晶界强度减少。强化晶界的措施有：（1）在晶界处形成大量细小析出硬化相；（2）增大晶粒尺寸以增大原子扩散距离，但根据Hall-Petch效应，增大晶粒尺寸会减少合金的力学性能；（3）加入富集
7、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Ce、Ca、Sr、Ba和Sb能改善镁合金的高温性能4。根据二元镁合金的力学性能，合金元素Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th、Y、Sc、Mn、Gd等可以形成强化相，阻碍晶界滑移，从而强化镁合金，提高高温性能，提高抗蠕变性能2,4,5。2 新型抗蠕变镁合金据资料简介，AZ系、AM系和AS系的低温下力学性能良好，具有一定的抗蠕变能力，但当温度超过1500C后，性能恶化，不能满足汽车发动机零件和航空航天的用途3，为此，在分析镁合金系的基本上，在镁与稀土元素合金上谋求出路，如下简介几种
8、新型抗蠕变镁合金。2.1 Mg-Y系合金4Mg-Al系合金由于高温的不稳定性，促使添加稀土元素以改善高温性能，这方面的研究可以追溯到60年此前。研究表白，Y在镁中的溶解度比Ce、Eu等较高，可以形成强化相，产生G-P区的强化效果。B.L. Mordike等在研究了不同Y含量时, Mg-Y系合金的性能变化，并给出了描述蠕变性能变化关系式。 =An exp(-Qc/RT)式中：A ：常数；：应力 ；n ：应力指数；Qc 蠕变激活能 ；R ：气体常数；T：绝对温度 ； ： 蠕变速率表1 Mg-Y系合金的蠕变性能对照表 图2 典型镁合金C时加载100h,产生0.2%塑性变形的强度对照图B.L. Mor
9、dike在研究Mg-Y-Zn-Nd-Zr、Mg-Zn-Y、Mg-Y-Zr等合金系性能特性后，给出图2所示的几种典型镁合金C时加载100h,产生0.2%塑性变形的强度。发现合金元素钇,强化效果较好，并指出WE合金系是比较抱负的开发抗蠕变合金的基本合金系，在此基本上，通过变形强化、时效强化和微合金化来进一步改善抗蠕变性能。国内北京航空材料研究所研制的ZM6、ZM9等高温抗蠕变镁合金，就具有较多成分的Y、Zn等元素。ZM9合金制造的零件在3000C下工作，性能接近含钍的HZ32A，但没有放射性，性能优秀11。2.2 Mg-Sc 合金系4，8金属钪作为镁合金强化元素有如下因素：（1） 钪可以增长镁合金
10、的熔点；（2） 与其她稀土元素相比，钪具有更高的熔点(15410C),在镁合金中的扩散能力相对较低,其强化作用明显；（3） 钪的密度为3g.cm-3 , 比其他合金元素的密度小,更能体现镁合金低密度的特点；（4） 与其她外加合金元素一起可以形成镁、钪和复杂的合金化合物强化相，改善合金的室温和高温性能。 根据图3 所示Mg-Sc合金相图可知，低温下钪在镁中的溶解度很低， 图3 Mg-Sc合金相图通过配备一定含量的钪的镁钪合金，以避免大量的-Sc相浮现，便于合金的时效强化。根据B.L. Mordike的研究表白，简朴的二元镁钪合金的抗蠕变性能比WE43合金差，必须与其她元素一起产生复合强化。加入锰
11、后来，可以生成Mn23Sc6或Mn2Sc强化相。在研究了合金Mg-Sc-Mn、Mg-Sc-Ce-Mn-Zr等合金的性能后，发现MgScMn合金的抗蠕变性能在3500C时，比合金WE43高两个数量级。这里需要指出的是，金属钪价格昂贵，不利减少零件成本。德国学者F. von Buch等8指出，在Mg-Sc合金中加入适量的Mn、Gd|、Y等元素，以减少Sc的用量，发现合金MgMnGd5Sc0.8的抗蠕变性能较为抱负；同步，合金MgMnY5Sc0.8的抗蠕变性能亦较为抱负。前者的强化相为Mn23Sc6和GdMg5，后者强化相外为Mn23Sc6、Mg24Y5和Mn12Y等。2.3 Mg-Gd 合金系在镁
12、合金中加入镉的因素与加入钪相近，镉可以提高镁合金的熔点，提高抗蠕变性能。在Mg-Gd 合金中加入其她合金元素，如：钪、锰、钇等元素可以大大提高镁合金的性能。B.L. Mordike研究了简朴Mg-Gd二元合金与WE43、QE22等合金的性能比较，发现Mg-Gd 合金的抗蠕变性能大大高于其她合金，并且随着镉含量的增长，抗蠕变性能愈增长。图4表达了这几种合金的蠕变性能的比较4。 图4 Mg-Gd 合金与几种合金的蠕变性能比较3 结论（1） 随着镁合金的应用领域不断扩大，对镁合金的高温性能、抗蠕变性能规定愈来愈高，必须在老式的高温镁合金的基本上，开发研究新型镁合金。稀土元素的应用大大提高了其抗蠕变性
13、能，稀土元素Y 、Sc、Gd等与Mn等元素可以形成强化相，阻碍合金晶界交叉滑移。（2） 单一稀土元素加入，其强化作用并不明显，需要三元甚至四元以上合金，使形成金属间化合物的强化相，起到强化作用。（3） 国内是镁、稀土资源大国，与世界其她国家相比，在高温镁合金和抗蠕变镁合金的研究领域有成果，但亦有差距，必须加快工作步伐，实现由资源优势为经济优势，由原材料加工为主为生产近终型精产品为主，不断扩展镁合金的应用领域，不断提高资源的运用效益。参照文献：1 B. Bronfin,1 E. Aghion, F. von Buch MRI 153 A NEWLY DEVELOPED ALLOY FOR HIG
14、H TEMPERATURE APPLICATIONS 网络资料2 王渠东，曾小勤，吕宜振，丁文江. 造镁合金的研究与应用. 材料导报，3月，第4卷：第三期 21233 Mihriban O. Pekguleryuz Noranda Technology Cente DEVELOPMENT OF CREEP RESISTANTMAGNESIUM DIECASTING ALLOYSAN OVERVIEW 网络资料4 B.L. Mordike Creep-resistant magnesium alloys_ Materials Science and Engineering A324，103112
15、5 B.L. Mordike Development of highly creep resistant magnesium alloys journal of Materials Processing Technology，117()，3913946 袁广银. 铋和锑对镁铝基合金显微组织和力学性能的影响D，1999，南京：东南大学, 1587 于化顺，高瑞兰. Mg-Li 合金及复合材料的抗蠕变性能. 特种锻造及有色合金， ，第一期：898 F. von Buch, J. Lietzau, B.L. Mordike. Development of MgScMn alloys Journal of Alloys and Compounds，320()，2963019 郭旭涛，李培杰. 稀土耐热镁合金发呈现状及展望. 锻造， Feb Vol51, No.2： 687110 杨彬. 镁合金研
