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发布时间:2017-5-15 发布人:管理员

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中稀土元素主要为 Y、Nd、Sm 等, 以下分别介绍三种合金体系的研究与应 用情况。

Mg-Y 系合金 : 稀土元素 Y 是在镁 合金中强化作用最好、应用最广泛、 也是研究最深入的元素之一。Y 在镁固 溶体中具有较高固溶度,平衡固溶度 为 3.75%( 原 子 分 数)/12.47%( 质量 分数)(566℃),且其固溶度随温度 的降低而呈指数关系显著减小,这意味着 Mg-Y 合金系是典型的可以通过完全热处理沉 淀强化的镁合金系。在合金中加入其它合金元素(如:Nd、Zn 和 Zr 等)会明显降低 Y 在镁中的 固溶度,但却能大幅提高合金中析出相的体积分 数,从而进一步提高合金的机械性能。

英国开发研制出一系列高温下具有高强度 及高蠕变性能的含 Nd、Y 的 WE 型镁合金,最 先研制出了 WE54,WE43 合金,使用温度达到 250℃,具有较好的浇铸、沉淀析出强化效果和高温抗蠕变性能。WE 系合金在经过固溶及时 效过程中,合金中依次析出:α 固溶体→ β″(D019)→ β′(Mg 12 Nd Y,b.c.c)→ β(Mg 14 Nd 2 Y,f. c.c)相,这是合金具有优良的室温及高温性能的 主要原因。目前 WE 系列合金是应用相对成熟、 研究相对深入的商用镁合金,被广泛应用于航空 航天领域中。

在 Mg-Y 合金中添加 Zn、Cu、Ni 等元素会 形成 LPSO 结构。LPSO 结构是近年来学术界的一 个 研 究 热 点, 具 有 6H、10H、14H、18R 及 24R 这 5 种不同类型的 LPSO, 其对合金增强、增 韧具有重要的作用。

Kawamura Y 等采用快速凝固粉末冶金工艺 制备了 Mg-Y-Zn 合金。室温力学性能最高到达:σ b =628MPa,σ 0.2 =610MPa,A=5.0%,这是目前 制备的一种强度最高并具有较高耐腐蚀能力的新型镁合金。具有如此优异的力学性能被认为除与 细晶强化、固溶强化、Mg-Y的弥散强化有关之外, 合金中的 LPSO 结构起到了很重要的作用。

在 Mg-Y 二元合金系中加入 Ca 和 Zr 合金元 素开发的 Mg-Y-Ca-Zr 阻燃镁合金,随着 Y 含量 增加,合金的晶粒尺寸减小,抗拉强度、屈服强 度增加,而伸长率变化很小。加入 Ca 和 Zr 能够 细化合金的晶粒组织、提高室温强度,同时不影 响合金的时效过程。

Mg-Nd 系合金:Nd 元素在 Mg 中的极限固 溶度为 3.6%(560℃),含有少量 Nd 的镁合金 就已具备了良好的析出强化效果。因此,认为 Mg-Nd 系二元合金为典型的析出强化合金。在Mg-Nd 二元中同时添加微量的 Zn 和 Zr 元素,能 够进一步促进合金的时效强化效应,细化铸态合 金晶粒,提高合金性能。

上海交通大学通过调整 Nd/Zn 比开发出了 低成本的高强度铸造镁合金 Mg-Nd- Zn-Zr(JDM1),其 铸 造 性 能 与 AZ91 合金相当,其综合力学性能比 AZ91 大幅度提高。采用高温连续固溶和时 效热处理后形成的棱面分布的亚稳 析出相(和卢相),使 NK30K 的室温力学性 能 改 善至:σ b =300~305MPa,σ 0.2 =140MPa, A=11%。此外,该合金还具有中等的高温强度(在 ≤ 250℃,σ b ≥ 240MPa)和优良的抗蠕变性能 (200℃ ,100MPa 下的稳态蠕变速率均在 10 数量 级)以及优异的耐蚀性能(~0.11mg/cm 2 · d)。

由于 JDM1 合金采用的是比较廉价的稀土元 素而且其加入量也较低,因此合金成本得到很好控制,不超过 AZ91D 的 120%。目前,该合金已 应用于国防、汽车轮毂、发动机支架等零部件。

Mg-Sm 系合金:Sm 元素在 Mg 中的极限固 溶度为 5.8%,与 Nd 元素类似,Mg-Sm 合金也具有较好固溶和时效强化效应,与 Nd 元素所不同的是 Mg-Sm 系合金相对于 Mg-Nd 系合金具有更 好的铸造性能(流动性、热烈性等),可用于压铸。

近年来,随着航空航天、汽车和 3C 产品的 散热材料不仅追求低密度、高强度,而且要求 具有良好的导热性能。虽然镁合金的密度低, 比强度高,但是,室温下纯镁的导热系数为156W/(m.K),其他常用镁合金的热导率很低, 如商业牌号的 AZ91D 镁合金在 20℃下的热导率 仅有 52W/(m.K),这极大地限制了镁合金在 这些领域的应用。总结散热产品对镁合金性能 的基本要求主要有三点:一是合金具有良好的 压铸性能,因大部分产品都需要通过压铸方法 生产;二是合金具有一定的强度,满足螺栓装 配的要求,通常屈服强度在 100MPa 左右;三是 合金具有高的导热系数,通常在 100W/(m.K) 以上,这些需求为 Mg-Sm 系合金的应用找了突 破。


 

上海交大通过在 Mg-Sm 二元合金体系中添加 Zr 元素同时优化 Sm 元素的含量,开发了一款高导 热压铸 Mg-Sm-Zr 合金(JDDRM1),除具有优 良的压铸性能外,合金屈服强度达到了110MPa 以上,导热系数达到了 120 W/(m.K)以上,即 将应用于通讯基站的散热单元。


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