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稀土镁合金的研究进展

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第2O卷第3期 茵毛 唐 Vo1.20I,No.3 2006年9月 Jiangxi NonfeITOUS Metals Sep.2006 文章编号:1005—2712(2006)03—0027—04 稀土镁合金的研究进展 彭光怀,张小联,邱承洲,胡珊玲 (赣南师范学院,江西赣州341000) 摘 要:从防氧化、除氢、合金流动性、细化品粒与强化作用等方面概括稀土元素在镁合金中的作用,综述稀土镁中 间合金,铸造、变形稀土镁合金与快速凝固稀土镁合金的最新研究动向与成果,并简介发展非品镁合金与镁合金的 超塑性研究的巨大潜力。 关键词:稀土:镁合金;材料 中图分类号:TG146.4 文献标识码:A 0引 言 续,工艺参数稳定,电流效率可以达到6O%一85%,形 成了一系列的Mg—RE合金:Mg—Y、Mg—Nd、Mg—La、 2O世纪9O年代以来,全球掀起了镁合金开发应 Mg一富Y、Mg一富Nd、Mg一富Ce。 用的热潮,正成为继钢铁、铝之后的第三大金属工程 在Mg—Re的相图研究上,文献[1,2]报道了镁合 材料,被誉为“21世纪绿色工程材料”,世界镁产业 金的熔炼、性能与成分的关系研究。 以每年15% 25%的幅度增长.这在近代工程金属材 1.2铸造稀土镁合金 料的应用中是前所未有的。镁合金广泛应用于航空、 传统镁合金耐热、抗高温蠕变等性能较差,通常 航天、交通工具、3C产品、纺织和印刷行业等。但是 只能用于120 ̄C以下的场合.达不到交通工具发动 普通镁合金的机械、耐蚀、耐高温性能较低,从而限 机和传动部件需要耐温150—200 ̄C、25O℃甚至更高 制了其应用范围。因此,研究开发具有高强度、耐热、 的要求,从而了它的应用。围绕着如何提高铸造 耐蚀等性能的镁合金,拓展镁合金的应用领域,成为 镁合金的力学、耐腐蚀、耐高温、蠕变性能等,研究人 镁合金科研工作者的重要课题。 员对稀土作为镁合金添加剂或合金化元素的作用进 稀土突出的净化、强化性能不断被人们认识与 行了大量研究。取得了瞩目的成绩。 掌握,并开发了一系列稀土镁合金,拓展了镁合金的 为了提高镁合金的起燃温度.黄晓锋13]研究了 应用领域。 铈对AZglD镁合金起燃温度的影响,添加1%的铈, 1稀土镁合金的研究方向与现状 起燃温度提高约180℃,同时利用x射线衍射 (XRD)和俄歇电子衍射(AES)观察了表面膜的化学 1.1中间合金的研制 成分及结构.探讨了其与起燃温度提高的关系。 为了研制高性能的稀土镁合金.长春应用化学 在提高镁合金的耐腐蚀性能上,B.L.Mordike等 研究所最早对REC1 一KC1一NaC1电解体系生产稀土 人 研究了铸态Mg-Sc、Mg-Gd、Mg-Sc—Mn、Mg—Sc— 镁合金中间合金进行了研究,研制了Mg—Y、Mg— Ce—Mn、Mg—Cd—Sc—Mn、Mg—Y~Sc—Mn及WE54的 Nd、Mg—Ce、Mg一富Y、Mg-富Nd、Mg-富Ce等一系 耐腐蚀性能。B.Smola等人[5·61详细研究了Mg—RE合 列中间合金.并发明了下沉液态阴极电解生产镁一 金的沉淀物结构、成分等对镁合金的耐蚀性能的影 稀土中间合金的先进工艺。本课题组2005年以来在 响,提出在Mg—Gd、Mg-Sc-Mn、Mg-Sc-Ce—Mn、Mg— 稀土氧化物氟盐体系电解工艺的基础上开发了 Cd—Sc—Mn、Mg—Y—Sc—Mn、Mg—Ce—Sc—Mn合金中, Mg—RE合金的氧化物氟盐电解体系工艺,操作连 cbco菱形板状的中间态沉淀是导致时效硬化的原 收稿日期:2006-06—29 作者简介:彭光怀(1974一),男,江西大余人,讲师,硕士,从事材料化学的研究工作。 脔毛 唐 因,沉淀的三角式相互锁定排列方式确保了高温下 合金很高的缝蚀性能,并得出Sc、Mn降低了RE在 Mg中的固溶度,Mn2Sc在高温下具有稳定沉淀相的 能力。在耐热、抗蠕变方面,Pettersen G等人翻的研究 表明,RE比Si能够更加有效地增加Mg—Al合金的 蠕变强度,并随稀土含量的增加其蠕变速度降低。在 Mg—zn合金系中,ZE41(Mg一4.5Zn一1.3RE一0.6Zr)具 第2O卷 耐腐蚀性能等方面的影响。 在织构与塑性方面,M.R.Batnett等人…1对比研 究了纯Mg、Mg一0.2Ce、Mg—Y、AZ31在冷轧过程中的 微观组织与织构的行为,以及包括WE43等多种合 金在径角挤压过程中织构的演进,得出了主要微观 组织为孪品和切变带,探讨了条状组织,非剪切带区 域中孪品的数量与冷轧变形量及C轴与剪切带的 位向关系。WE43中出现的非基面的<c+o>的滑移是 有抗热裂和可焊接的能力,且显微缩松倾向降低,在 ZE41A的成分范围内,zn含量增高、RE含量降低, 则合金力学性能升高、铸造性能降低。第一个工业应 用的含Y镁合金是WE54,该合金铸造性能与 QE22A相同,铸件的气密性和焊接性能良好,已经 在飞机和赛车汽缸上得到应用。S.M Heal81等人优化 了合金中的Gd与Y的含量,实现了优秀的强度、延 伸率和耐腐蚀性能的组合,并预见有望取代应用最 广的WE43和WE54合金。T.Honma等人恻研究了在 200 ̄C下Mg一2.1Gd一0.6Y一0.2Zr合金等温时效的沉 淀物的形态,阐述其成分、结构和性能之问的关系。 1.3变形稀土镁合金 变形镁合金比铸造镁合金具有更高的强度、更 好的塑性,图1对比了变形镁合金和铸造镁合金的 强度指标 ,可见变形镁合金的力学性能明显优于 铸造镁合金。研究表明镁合金在热变形后,组织得到 了显著细化.铸造组织缺陷被消除,使得产品的综合 力学性能大大提高。变形镁合金在汽车、电子、电器、 航空、航天等领域有着十分广阔的应用前景。近年 来.工业发达国家对变形镁合金的研究与开发十分 重视.合金牌号和产品规格已开始向系列化和标准 化方向发展。而我国在变形镁合金的研制与开发仍 处于起步阶段.商业化的变形镁合金产品则较少。 为了进一步提高变形镁合金的综合性能,拓宽 其应用范围,研究者在已有变形镁合金系基础上,研 究添加稀土元素对挤压材的织构与塑性、高温性能、 / 一_1 . 20o 罴15o ) }l -!  Il 、I I b 蓼 形镁合 金 1oo ’ ^ 50 铸造镁 合金 O 2 4 6 8 1O 12 8,% 图1铸造镁合金与变形镁合金强度对比 由于Y原子改变了纯镁的结构,降低了c/a、品格对 称性的结果。 在组织与机械性能方面,Haitao等人 研究了 Ce刘‘热挤压AZ61合金的影响,发现Ce<1.0%时能 细化Mg Al :颗粒,并生成棒状的AI。Ce;同时指出 在热变形中,Al Ce通过抑制二次品粒长大,从而细 化再结品品粒。当Ce的量控制在1.0%左右,使得 退火态镁合金抗拉强度达301MPa,延伸率为16%。 在塑性变形强化机理方面,Kun等人[331研究 Mg一2.8%Ce一0.7%Zn一0.7Zr%合金在不同的应变速 率、变形温度下的塑性变形行为,获得了crb= 222.4MPa. =12%,得出了在423~473、523~573、 573K以上的不同温度段的强化机理分别为:加工硬 化;加工硬化与动态恢复;动态再结品。 1.4快速凝固稀土镁合金 通过快速冷却制备的凝固镁合金,由于大量超 过平衡溶度的稀土元素固溶到镁中可以大幅度的降 低轴比(c/a),扩展 —Mg的固溶区间,激发新的滑移 系.从而提高镁合金的塑性变形能力;同时也可提高 镁合金微观组织的均匀性.避免局部微电池作用,减 轻镁合金的腐蚀倾向。表1是快速凝固工艺对稀土 镁合金固溶度及晶体结构的影响㈣。 表I快速凝固工艺对稀土镁合金固溶度 与晶体结构的影响% DowChemical Co和Allied Signal等公司【14l开发 的快速凝固Mg—RE合金与AZ91合金相比,抗拉强 度提高40%一60%,屈服强度提高50% ̄100%,压缩 屈服强度提高45%一230%,压缩屈服强度与拉伸屈 第3期 彭光怀,等:稀土镁合金的研究进展服强度之比≥1.1,伸长率最高可达22%,大气腐蚀 晶Mg合金系有Mg-TM—Ln(TM=Ni,Cu or Zn;Ln=Y, Ce or Nd) 。 行为与铝合金2014一T6相当。因此,采用快速凝固 技术开发稀土镁合金具有巨大的潜力。 此外.由于镁基非品合金没有成分偏析和第二 文献f15,16]研究了镁合金的机械性能与品粒 大小的关系.它符合Hall-Petch公式,即强度值随 着品粒的减小而提高,其中K.Nakashima等人用快 相的析出,使得其组织和成分均匀,减少微电池的形 成.同时非品态合金自身活性高,能在表面迅速形成 均匀钝化膜,从而非晶态合金抗腐蚀性得到显著提 速凝固的方法制得几十到150p ̄m的等轴多品镁合 高。H_B.Yao1241等人研究了非晶态的Mg65Ni20Nd15、 金粉体(Mg一4.74%Y一3.36%Nd一1.76%Pr一0.71%Ce), 在573K下.真空中用20:1的下压量挤压得到了强 度为536MPa的镁合金,并且该合金在773K下,应 力速率为1.7x10 s 具有超塑性。 2镁合金潜在性能与开发 2.1镁合金的超塑性 目前,镁合金超塑性变形的理论和模型很多。差 异很大.所以迄今为此没有形成统一的超塑性变形 理论,一般认为品界滑移是镁合金超塑性变形的主 要机制,包括原子晶界扩散,位错滑移与攀移,扩散 蠕变,液相原子扩散,空洞移动扩散以及品粒的移 动、旋转和换位等机制lloJ。 以往对镁合金超塑性研究多是在低应变速率 (<10一s )条件下进行㈣,生产效率低,其应用范围也 仅局限于制造航天航空高性能部件。而高应变速率 超塑性成型技术可以极大的提高各种构件的生产效 率,节约能源,避免镁合金表面高温氧化㈣使塑性变 形技术推广到民用领域.从而具有广阔的市场应用 前景118,191。因此高应变速率超塑变形是当前变形镁 合金超塑性研究领域的一个新方向。 此外,镁合金在热加工变形过程中经常因加热 温度过高而导致严重氧化、过烧,同时对模具寿命不 利。因此,开发低温仍至室温超塑性成型技术对于镁 合金应用具有非常重要的意义.这也是超塑性镁合 金的另一重要研究方向。 目前研究较多的含稀土元素的超塑性镁合金有 EA55(Mg-5A1-4.8Zn-5.2Nd—O.1Mn)、MA8(Mg- 1.5Mn-0.3Ce)、WE43、Mg一5.5Li一1Y、Mg一8.5Li~1Y、 Mg-10Li一1Y。例如日本的研究者在4.0xl0 S一应变 速率下实现了WE43(Mg一1.0Y一3.2Y)15%一17%的 延长率【】Ol。 2.2镁基非晶合金 非品态镁合金具有无定型原子结构.不存在品 界、位错和层错等结构缺陷,与品态合金相比,其力 学性能大大提高,合金强度和延展性得到了明显改 善[2o-z21;并有一般金属和玻璃的特性。研究较多的非 Mg65Cu25Y 1 0、Mg65Ni20、Mg65Cu25合金及纯Mg 在碱性NaCI溶液中的耐腐蚀行为,发现 Mg65Ni20Ndl5、Mg65Cu25Y10拥有比后者更佳的 耐腐蚀性能;对腐蚀表面进行元素与化学组成分析, 发现Mg、Mg65Ni20、Mg65Cu25腐蚀后的表层是由 氧化物与氢氧化物构成的,添加Nd或Y后,表层全 部为氧化物,因而实现了钝化,降低了腐蚀速率。 3结语 随着稀土镁合金的研究不断深入和现代化加工 技术的迅速提高.稀土镁合金的综合性能得到了极 大的提高,其应用范围显著拓展,世界许多国家制定 了相应的产业发展规划。我国具有丰富的稀土和镁 资源,在这一领域具有比其他国家更大的研究开发 潜力和更广阔的市场前景。但要真正使稀土镁合金 实现产业化,还需加强以下几方面的工作。 (1)充分发挥稀土元素对镁合金的防氧化、除 氢、提高合金流动性、细化品粒与强化等作用,挖掘 镁合金的潜能,大力开发具有高性能的稀土镁合金. 使稀:匕镁合金的力学、加工、高温、蠕变与耐蚀性等 达到各种行业使用的要求。 (2)研究和开发稀土镁合金变形加工设备和先 进工艺,提高变形稀土镁合金成型率与性能。 (3)加强稀土镁合金的各种理论研究.以提高稀 土镁合金的研发能力和加工水平。 (4)加强与汽车、通讯、电子等行业的通力合作. 研发适销对路的产品,拓宽稀土镁合金的应用。 参考文献: [1] M Giovannini,A Saccone,R Ferro.The isothermal section at 450℃of the Yb—Pr—Mg system田.Intermetallics, 1999,(7):909-916. 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The Latest Development of Rare Earth Magnesium Alloy Research PENG Guang-hai,ZHANG Xiao—lian,QIU Cheng-zhou,HU Shan-ling (Gannan Teachers coUege,Ganzhou 341000,Jiangxi,China) Abstract:The effects of rare earth on magnesium alloys are summarized in terms of anti—oxidation,hydrogen removal,fluidity,crystal grain refining and consolidation etc.The latest development trend and achievements of rare earth magnesium interalloys,cast,wrought,and RSP(rapid solidiifcation processing)magnesium alloys are summed up,and the great potential in non-crystal magnesium alloy development and superplasticity study of magnesium alloy are generally introduced in this paper.The promising application will induce signiifcant innovation in structural material field. Key words:rare earth;magnesium alloy;maferial 

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