利用稀土提高鎂合金的高溫力學(xué)性能
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鎂及鎂合金是目前可應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有鋁和鋼不可替代的性能，如高比強度、高比彈性模量、高阻尼減震性、高導(dǎo)熱性、高靜電屏蔽性、高機械加工性和極低的密度等，在科技前沿的航空航天領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，被用來制作飛機、導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星上的重要機械裝備零件，以達到輕量化、優(yōu)化性能及降低成本的目的。但是，鎂合金高溫強度和蠕變性能較差，限制了其應(yīng)用。特別是在航空航天器和武器裝備上，鎂合金難以用于制作高溫長時間使用的部件。鎂合金高溫性能較差的主要原因是：傳統(tǒng)鎂合金的時效析出強化相，如Mg17Al12、Al-Mn相等，均缺乏有效的耐高溫性能。
研究發(fā)現(xiàn)，稀土是所有合金元素中提高鎂合金耐熱性能最有效最直接的合金元素。因此，加稀土元素來提高鎂合金的高溫性能成為當前鎂合金一個研究熱點。在鎂合金中添加的稀土元素大致可以分為兩類: 一類是在鎂合金中固溶度較小的Ce、Pr等; 另一類是固溶度較大的Y、Nd等，其強化機理是固溶強化和時效強化。稀土鎂合金通過固溶強化和析出強化，大部分含稀土鑄造鎂合金在室溫和高溫下都有較好的性能。稀土元素在晶內(nèi)可以和基體形成共格的高熔點、高溫下低擴散的金屬間化合物，因此可以提高材料的高溫力學(xué)性能。
據(jù)報道，Mg-5Al-1Si合金在加入微量稀土Nd后可以提高其抗高溫蠕變性能；在鎂合金AM50中加入1%的Y后，抗高溫蠕變性能明顯改善；加入La也能提高合金蠕變抗力。另據(jù)報道，添加0.5%Sr和1.5%Y對AZ31鎂合金有明顯的細晶強化、固溶強化和析出強化作用，其250℃ 的高溫力學(xué)性能明顯提高，σ0.2=101MPa、σb=117MPa、δ=37.75%，相比AZ31分別增加了46.4%、54.5%和53.02%; 該合金在250℃高溫拉伸的斷口表現(xiàn)出典型的韌性斷裂，斷口形貌為大量韌窩及撕裂棱。在壓鑄AZ91合金中加入適量的Ce后，Ce與合金中的Al生成Al4Ce，取代了部分耐高溫性能差的Mg17Al12相，提高了合金在150℃時的強度。國外有報道，添加稀土元素Gd試制出Mg-9Gd-4Y-0.6Mn合金和Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金，顯示出優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，明顯優(yōu)于WE54和WE43合金。
特別值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，部分稀土鎂合金存在較高溫度的強度高于室溫強度的現(xiàn)象。例如，GW123K在150℃和200℃的拉伸強度均高于室溫。又如，砂鑄Mg-10Gd-3Y-Zr合金在200℃時具有高于室溫的拉伸強度。上述獨特的強度反常現(xiàn)象可能是由于高溫下一方面原子擴散速度的加快加強了其釘扎位錯作用，從而增強了合金的強度; 另一方面高溫時稀土與基體鎂反應(yīng)生成了高熔點的熱穩(wěn)定相，這些熱穩(wěn)定相彌散分布在晶界上阻礙位錯運動。
鎂合金作為一種新型優(yōu)質(zhì)材料，在未來應(yīng)用中有著廣闊的天地。中國稀土資源世界第一，大力研發(fā)附加值高的先進鎂稀土合金，并應(yīng)用于高精尖行業(yè)上，是我國金屬研究的一個具有重要戰(zhàn)略意義的任務(wù)。
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