未来,相图热力学的研究还需进一步加强,结合材料物理和化学等方面的研究,深入探究耐热镁合金相结构和相变规律,为耐热镁合金的开发和应用提供更加深入的理论基础。
耐热镁合金是一种具有高温性能的金属材料,因其轻量、高强度、高耐热性、低密度等优点而广泛应用于航空航天、汽车、电子、船舶等领域。
在航空航天领域,耐热镁合金主要用于制造发动机部件、航空发电机等。由于耐热镁合金具有高温强度、耐腐蚀性好、密度低等优点,可以提高发动机的工作效率,降低重量,使得航空器的综合性能得到显著提高。
此外,由于生产成本较高、加工难度大等因素,耐热镁合金的市场竞争力也较弱。
未来,随着科技的不断发展和进步,耐热镁合金的应用前景仍然十分广阔。
一方面,可以通过不断优化合金的成分和制备工艺,进一步提高耐热镁合金的力学性能和耐腐蚀性能,拓展其应用范围。
另一方面,随着新材料、新工艺的涌现,耐热镁合金可能会面临新的挑战和机遇。
在航空航天领域,耐热镁合金的应用前景十分广泛。随着航空航天业的不断发展,对材料性能的要求也越来越高。
耐热镁合金作为一种轻质高强度的材料,可以用于制造发动机、涡轮叶片、燃烧室等关键部件,提高航空航天器的性能和可靠性。
此外,随着太空探索的不断深入,对于耐高温、耐辐射的材料需求也越来越大,耐热镁合金有望在这一领域得到广泛应用。
在汽车工业领域,耐热镁合金的轻质化、高温耐久性等特性也备受关注。随着汽车电动化、智能化的不断深入,对于材料的性能要求也越来越高。
耐热镁合金可以用于制造发动机、传动系统等关键部件,提高汽车的燃油效率和性能。
上世纪三十年代发现稀土元素(Ce)可以提高镁合金的强度,随后在传统压铸Mg-Al系的基础上发展了Mg-Al-RE,但到本世纪初,综合性能好的AE42合金的服役温度仍低于150 oC。为了能在耐热性能方面有所突破,研究者们开始开发新的体系。但压铸镁合金开发的难点在于要求合金体系具有良好的铸造性能,且合金在铸态不经热处理时要获得更好的高温力学性能。
Moreno等在Mg-Al系外开发出了Mg-RE系镁合金,并成功制备MEZ (Mg-2.5RE-0.35Z)等合金。相比于AE42,MEZ在更高温度、更高应力 (175 oC, 80~100 MPa)条件下具有更高的蠕变抗力。随后在对MEZ合金的研究中发现,不同的RE元素(如La, Ce, Nd)由于固溶度不同,对合金蠕变性能的影响也不同。Nd元素由于固溶度较大,在蠕变过程中形成了弥散的动态析出相而提升了合金的蠕变性能。基于此,在MEZ的基础上通过添加一定的Nd得到了AM-HP2+(Mg-La-Ce-Nd-Zn)合金,该合金在150 ~200 oC具有更优的蠕变性能,但是,这两种合金的塑性和强度较低,因此并未得到应用。
随着AE系合金性能提升瓶颈的出现以及相关基础理论的完善, Mg-RE体系的压铸耐热镁合金再次被研究者们关注。MURAYAMA的研究表明,HCP结构的镁合金比FCC结构的铝合金的抗蠕变潜力更高,但实际发现镁合金的抗蠕变性能普遍要比铝合金差,因此认为Mg-Al系镁合金抗蠕变性能差是由合金中的Al元素导致的。其次,Mg-Al系室温或高温下难以避免的出现Mg17Al12低熔点相也抑制了Mg-Al合金的服役温度。此外,温度升高时Al在Mg中扩散速率快,大大促进了蠕变的发生,压铸Mg-Al合金的发展遇到了瓶颈,难以突破175 oC。
后来,GAVRAS[56]成功制备了一系列Mg-La系镁合金,在Mg-La的基础上分别添加Nd、Y和Gd,结果表明,含Y和Gd更有利于蠕变性能的提升。HUA[4]在Mg-La系的基础上,通过添加Y以提高塑性,Zn以提高铸造性能而得到了ZLaW423 (Mg-4Zn-2.3La-2.7Y)压铸合金,该合金通过晶界相的连通而分散了Mg基体的受力,使合金获得了较高的压缩性能。由于压铸镁合金没有明显的织构,因此认为压缩与拉伸状态下合金的屈服强度没有明显的区别。Bai等成功制备了含网状LPSO相的Mg-Y-Zn合金,相比于AE44,室温下具有更的性能,200 oC高温拉伸性能与蠕变性能尚待报道。
表8是典型压铸Mg-RE合金的高温拉伸(ZLaW423为压缩)性能与蠕变性能。可以看出,典型的AM-HP2+合金屈服强度随温度变化小,约为7%,说明了该合金组织稳定性好,同时相比于AE44具有更高的蠕变抗力。Mg-0.48La-1.18Y合金的蠕变性能与AM-HP2+相当,177 oC时的强度更高。ZLaW423合金压缩屈服强度较高,但由于缺少拉伸与蠕变性能,因此还需要进一步的探究才能进行更全面的对比。但典型AM-HP2+合金室温强度及各温度下伸长率相比于AE44明显偏低,因此基于Mg-RE系的研究需要在保持其良好蠕变性能的同时提升其强度及塑性。
压铸耐热镁合金经历了从Mg-Al系到Mg-RE系的发展。Mg-Al系合金具有良好的铸造性能和室温力学性能,以AZ和AM系为主的合金一直是商用压铸镁合金的,因此压铸耐热镁合金的发展也是以Mg-Al系为基础。AZ和AM系列合金室温下的主要强化相Mg17Al12在120 oC以上会粗化软化,因此AZ及AM系列合金的使用温度低于120 oC。基于Mg-Al系压铸耐热镁合金的发展思路是减少或抑制低熔点相Mg17Al12的形成,同时生成其他热稳定性良好的晶界第二相以钉扎晶界。经过大量的研究,Mg-Al系中添加Si、Ca、Sr元素可以抑制Mg17Al12的生成,同时形成热稳定性良好的Mg2Si、Al2Ca、Al4Sr等晶界相钉扎晶界,提升合金的使用温度。但当温度150 oC时,这些合金系中再次析出Mg17Al12而恶化其高温力学性能。Mg-Al中添加RE元素使得压铸耐热镁合金的发展取得一定的突破,典型合金AE44中生成热稳定性良好的Al11RE3,一方面消耗Al以抑制Mg17Al12的生成,另一方面Al11RE3具有良好的热稳定性,使得AE44合金的服役温度达到175 oC。当温度175 oC时,其拉伸性能和蠕变性能恶化,目前原因尚存在争议。Mg-Al系由于Al的存在而容易生成低熔点相,同时Al在Mg中快的扩散速率加快蠕变的发生,因此压铸耐热镁合金的发展在Mg-RE系内进行了尝试。目前尝试开发的Mg-RE合金均不含低熔点相,具有良好的组织稳定性,因而蠕变性能有所提升,但强度和塑性等综合性能尚不能与AE44抗衡。
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