準(zhǔn)晶相增強(qiáng)高性能鎂合金的研究進(jìn)展

1、準(zhǔn)晶相增強(qiáng)高性能鎂合金的研究進(jìn)展/袁武華等#91#準(zhǔn)晶相增強(qiáng)高性能鎂合金的研究進(jìn)展袁武華,張晨晨,陳吉華(湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410082)摘要 綜述了準(zhǔn)晶相增強(qiáng)鎂合金的制備方法,以及準(zhǔn)晶相增強(qiáng)Mg2Zn2Y、Mg2Zn2Al的微觀組織和性能特點(diǎn),介紹了準(zhǔn)晶相增強(qiáng)鎂合金在國(guó)內(nèi)外的研究及應(yīng)用進(jìn)展?fàn)顩r。已有的研究結(jié)果表明,鎂合金中準(zhǔn)晶相的存在對(duì)提高合金的室溫和高溫強(qiáng)度、改善合金塑性有明顯作用。關(guān)鍵詞 準(zhǔn)晶 鎂合金 增強(qiáng)顆粒ResearchProgressinQuasicrystal2reinforcedHighPerformanceMagnesiumAlloysYUANWuhua,ZH

2、ANGChenchen,CHENJihua(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082)Abstract Thefabricationmethods,microstructureandmechanicalpropertiesofthequasicrystalreinforcedmagnesiumarereviewed.Therecentdevelopmentandapplicationofthehighperformancemagnesiumalloyscontainingquasicrystal

3、sarealsointroduced.Theresultsshowthatthequasicrystalsplaygreateffectstoimprovethestrengthenandelongationofmagnesiumalloyseitheratroomorhightemperatures.Keywords quasicrystal,magnesiumalloys,reinforcedparticle0 前言準(zhǔn)晶具有高硬度、耐蝕、耐熱等特點(diǎn)1,特別適合于作韌性基體材料中的強(qiáng)化相。鎂合金中準(zhǔn)晶的存在可制備出準(zhǔn)晶相增強(qiáng)高性能鎂合金及鎂基復(fù)合材料2,近年已經(jīng)在一些三元、四元或多元系鎂合金

4、中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶相的存在。本文將對(duì)近年來(lái)準(zhǔn)晶相增強(qiáng)鎂合金的制備方法、組織與性能特點(diǎn)及應(yīng)用等進(jìn)行綜述。晶。采用急冷甩帶的方法獲得的Mg2Al2Y合金含有成分為Mg42Zn50Y8的準(zhǔn)晶相,在快速凝固Mg2Al2Zn合金中同樣有二十面準(zhǔn)晶相Mg32Zn32Al17存在11。而在快速凝固熔體快淬制備的Mg2Al2Pb合金系中也有FK型二十面體準(zhǔn)晶分布于細(xì)小等軸胞狀A(yù)2Mg晶界處1113。由于快速凝固制備的試樣尺寸一般較小,并且只能制備粉狀、絲狀及薄帶狀亞穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)晶材料,限制了快速凝固技術(shù)在將來(lái)實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。1 準(zhǔn)晶相增強(qiáng)高性能鎂合金的制備方法準(zhǔn)晶相增強(qiáng)高性能鎂合金的制備方法可分為兩類:一類是通過(guò)常規(guī)鑄

5、造或快速凝固、機(jī)械合金化等非平衡工藝在鎂合金內(nèi)部生成一定的準(zhǔn)晶相以提高合金性能的內(nèi)生法;另一類則是在鎂合金基體中加入準(zhǔn)晶顆粒,并通過(guò)一定的工藝使準(zhǔn)晶顆粒彌散分布在鎂合金基體中從而達(dá)到強(qiáng)化目的的外加法。1.1.3 機(jī)械合金化機(jī)械合金化是通過(guò)鋼球的撞擊使合金粉末間進(jìn)行反復(fù)冷焊和斷裂,形成層狀微結(jié)構(gòu),繼而形成超細(xì)復(fù)合結(jié)構(gòu),最后通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)等形成均勻的準(zhǔn)晶合金。目前采用機(jī)械合金化法已在Mg2Al2X(X=Cu、Zn、Pd、Ag、Pt)等合金系中獲得了準(zhǔn)晶14,15。如Mg2Al2Zn準(zhǔn)晶粉末在超高壓下固結(jié)成型形成的固態(tài)合金中含有FK型二十面體準(zhǔn)晶16。1.1 內(nèi)生法1.1.1 鑄造冶金法穩(wěn)定準(zhǔn)晶具

6、有熱力學(xué)穩(wěn)定的特點(diǎn),只要控制好合金成分,即可采用一些常規(guī)的制備方法獲得穩(wěn)定準(zhǔn)晶。目前,含準(zhǔn)晶的鎂合金大部分都是通過(guò)鑄造方法獲得,如采用鑄造法可以獲得含Mg30Zn60Y10和Mg3YZn6五次對(duì)稱二十面穩(wěn)定準(zhǔn)晶37的Mg2Zn2Y合金,而半連續(xù)水冷鑄造Mg2Zn2Y2Zr高強(qiáng)鎂合金中也含有二十面體準(zhǔn)晶相810。這種常規(guī)鑄造方法降低了獲得準(zhǔn)晶的成本,使準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金的生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用成為可能。但是,普通凝固的方式容易產(chǎn)生裂紋、疏松等缺陷。1.2 外加法外加法一般是在鎂合金基體中加入準(zhǔn)晶顆粒,并通過(guò)一定的工藝使準(zhǔn)晶顆粒彌散分布在鎂合金基體中從而達(dá)到強(qiáng)化的目的16,其中粉末冶金法是一種常用的方法。粉末

7、冶金法制備的準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金就是利用粉末冶金技術(shù)將準(zhǔn)晶顆粒與金屬粉末混合后在高溫下擠壓成由準(zhǔn)晶顆粒與基體金屬?gòu)?fù)合而成的金屬基復(fù)合材料,也可以將準(zhǔn)晶相顆粒在高溫下燒結(jié),從而獲得致密材料,其突出優(yōu)點(diǎn)是可以用來(lái)制備大塊準(zhǔn)晶。如將Mg45Al152Zn40、Mg50Al15Zn35、Mg39.5Al37.15Zn23準(zhǔn)晶粉末分別在450e、250e、250e和5.14GPa高壓下燒結(jié)可制成大塊準(zhǔn)晶成分結(jié)構(gòu)的鎂合金17,18。這種鎂合金的力學(xué)性能明顯優(yōu)于對(duì)應(yīng)的晶體相,摩擦系數(shù)和磨損速率大大低于晶體相,隨鎂合金中鋁含量的減少,其穩(wěn)定性增加。但是其成本相對(duì)較高,不利于工業(yè)化生產(chǎn)。1.1.2 快速凝固法快速凝固

8、法是最早用于制備準(zhǔn)晶的方法,目前用該方法已在一些Mg2Al2X(X=Cu、Zn、Y、Pd、Ag、Pt)合金系中獲得了準(zhǔn)袁武華:男,1973年生,副教授 Tel:073128672909 E2mail:yuan46302#92#材料導(dǎo)報(bào)納米準(zhǔn)晶析出。2007年2月第21卷第2期2 準(zhǔn)晶相增強(qiáng)鎂合金的組織與性能特點(diǎn)2.1 Mg2Zn2Y系合金Mg2Zn2RE三元系的鎂合金中含有稀土元素,準(zhǔn)晶相既可以通過(guò)快速凝固等非平衡工藝生成,也可以通過(guò)常規(guī)鑄造工藝生成。這種三元鎂合金系中生成的準(zhǔn)晶相一般為三維二十面體穩(wěn)定準(zhǔn)晶相Mg3YZn6,它既可以在Mg2Zn2Y三元相圖的富鎂側(cè)生成,也可以在富鋅側(cè)生成19,

9、如圖1所示。表2 準(zhǔn)晶相增強(qiáng)型鎂合金的力學(xué)性能合金AZ31AZ61AZ91晶粒尺寸二次相體積屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度Lm17.69.913.4百分?jǐn)?shù)/%-MPa152175225MPa275320395伸長(zhǎng)率%22.019.818.2圖1 Mg2Zn2Y三元相圖在300e的截面常規(guī)熔煉的Mg2Zn2Y合金組織分布比較均勻,準(zhǔn)晶相在持續(xù)加熱條件下可以穩(wěn)定存在,只有在高溫時(shí)才發(fā)生氧化8,9。含準(zhǔn)晶相的Mg2Zn2Y鎂合金,在低Zn和Y含量下,準(zhǔn)晶相均勻分布于鎂合金基體中,微觀組織為完整的五瓣花瓣和沒(méi)有完全長(zhǎng)大的五邊形。隨著Y含量的增加,準(zhǔn)晶體數(shù)量增加,準(zhǔn)晶晶粒度、圓整度及分布均勻化程度都得到了提高。而快速

10、凝固Mg2Zn2Y含準(zhǔn)晶相鎂合金中I2phase與A2Mg基體共存,并且I2phase均勻分布于A2Mg晶界處11。通過(guò)控制合金的成分配比,可以得到不同的準(zhǔn)晶相,如表1所示。表1 Mg2Zn2Y不同成分配比時(shí)的合金相編號(hào)MgZnY相組成17426(A2Mg),Mg7Zn3273.325.71(I2phase),A2Mg,Mg7Zn3372.525.52(I2phase),A2Mg471.825.23(I2phase),A2Mg571254(I2phase),A2Mg67523(A2Mg),I2phaseMg2Zn2RE三元系中的Mg3REZn6準(zhǔn)晶既可以通過(guò)快速凝固等非平衡工藝生成,也可以在常

11、規(guī)鑄造的緩慢凝固過(guò)程中生成。熔體快淬快速凝固MB25鎂合金中,準(zhǔn)晶相分布于細(xì)小等軸胞狀A(yù)2Mg的晶界。這種Mg3REZn6準(zhǔn)晶雖然很脆,但是高溫穩(wěn)定,具有高強(qiáng)度和硬度、低表面能,是一種良好的合金強(qiáng)化相。根據(jù)Mg3REZn6準(zhǔn)晶的特點(diǎn),通過(guò)控制合金成分和制備工藝,已成功開(kāi)發(fā)出幾種含準(zhǔn)晶的高強(qiáng)Mg2Zn2Y系合金,其室溫拉伸性能如表2所示。準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)Mg2Zn2Y系鎂合金的屈服強(qiáng)度及延伸率均高于AZ31、AZ61、AZ91合金,具有很好的力學(xué)性能。其中成分為Mg28.57Zn22.07Y鎂合金經(jīng)400e熱軋后組織中A2Mg晶粒尺寸約為14Lm,尺寸為0.52.0Lm的準(zhǔn)晶I相分布于A2Mg晶粒中

12、20。在熱加工過(guò)程中,A2Mg晶粒中還有Mg25.5Zn2l.5Y21Ce(21Zr)-59017.0MB25-29335115.6MB26-31437214.8Mg28.57Zn22.07Y7.8821035523.4Mg210.6Zn22.35Y7.7922037019.7Mg210.6Zn22.36Y20.69Zr7.8918032523.5常規(guī)鑄造的準(zhǔn)晶增強(qiáng)高性能Mg2Zn2Y系鎂合金晶粒一般較為粗大,且鎂合金本身的韌性也不是十分理想。為了改善晶粒粗大、韌性不理想的問(wèn)題,除了上述通過(guò)后續(xù)熱處理、熱軋、熱擠壓等手段來(lái)細(xì)化晶粒,提高鎂合金韌性和強(qiáng)度外,也可以在合金中添加Ca、Zr等元素。Z

13、r是鎂合金中有效的晶粒細(xì)化劑,Mg2Zn2Zr2Y系高強(qiáng)MB25、MB26鎂合金鑄態(tài)組織中,準(zhǔn)晶相一般沿A2Mg晶界處分布,隨溫度的升高,準(zhǔn)晶的量減少9。準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)的Mg2Zn2Y合金中加入少量Zr并不影響合金熱軋狀態(tài)的結(jié)構(gòu),但是,Zr的加入在提高合金延伸率的同時(shí)降低了合金室溫屈服強(qiáng)度13,21,22。另外,Mg25Zn22Na20.6Zr21.5Y20.4Ca鎂合金中加入少量Ca、Zr可細(xì)化鑄造組織,提高合金力學(xué)性能。準(zhǔn)晶相增強(qiáng)Mg2Zn2Y系合金的高強(qiáng)度主要來(lái)自于高體積分?jǐn)?shù)準(zhǔn)晶顆粒(約為9%)的強(qiáng)化作用。準(zhǔn)晶顆粒的低界面能阻止了準(zhǔn)晶顆粒的粗化,形成穩(wěn)定的準(zhǔn)晶2鎂基體界面,從而阻止了高溫變

14、形過(guò)程中基體晶粒的長(zhǎng)大。Mg2Zn2Y系合金的高延伸率與穩(wěn)定的準(zhǔn)晶2鎂基體界面有關(guān),合金具有很大的變形量,而不在界面處形成孔洞。另外,準(zhǔn)晶顆粒與A2Mg基體的界面一致性,使得合金組織上的孔洞并不影響合金的性能。這種合金還具有一定的塑性,這與彌散分布的準(zhǔn)晶顆粒的釘扎強(qiáng)化作用有關(guān)2332。2.2 Mg2Zn2Al系合金含準(zhǔn)晶相的Mg2Zn2Al系三元合金既可通過(guò)快速凝固、熔體快淬等非平衡工藝制備,也可在常規(guī)的緩冷凝固中通過(guò)包晶反應(yīng)生成。Mg2Zn2Al系合金的準(zhǔn)晶相一般均為FK型二十面準(zhǔn)晶。金屬型鑄造的ZA84鎂合金準(zhǔn)晶相的成分約為Mg9?22Zn4?1Al3?1,而常規(guī)冷室鑄造的ZA85鎂合金中

15、準(zhǔn)晶相的成分約為Mg38Zn43Al19。這種準(zhǔn)晶晶界相具有與鎂基大塊準(zhǔn)晶相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能,并且有著相當(dāng)高的硬度和剛度33。采用快速凝固方法制備的Mg2Zn2Al合金,其準(zhǔn)晶相為穩(wěn)定的FK型Mg32Zn32Al17二十面準(zhǔn)晶。該合金組織均勻,晶粒細(xì)小,室溫時(shí)具有較高的屈服強(qiáng)度及延伸率6,7。溫度持續(xù)升高時(shí),Mg28Zn24Al合金含中的準(zhǔn)晶相可以維持在一穩(wěn)定范圍內(nèi),當(dāng)溫度達(dá)到325e時(shí),準(zhǔn)晶相體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始下降,持續(xù)加熱120h后達(dá)到穩(wěn)定。在該過(guò)程中,準(zhǔn)晶相具有良好的熱穩(wěn)定性,沒(méi)有明顯的相變。而對(duì)于常規(guī)鑄造方法獲得的含Mg44Zn41Al15二十面體準(zhǔn)晶相的Mg2Zn2Al三元合金,當(dāng)溫度由293

16、K上升到613K時(shí),準(zhǔn)晶相的晶格半徑增大,鎂合金的晶粒也變得粗大,合準(zhǔn)晶相增強(qiáng)高性能鎂合金的研究進(jìn)展/袁武華等金的綜合力學(xué)性能下降7。近年來(lái),以Zn為主要合金元素的耐熱ZA系列鎂合金(ZA84、ZA85)中均存在二十面體準(zhǔn)晶相。這種準(zhǔn)晶相具有相當(dāng)高的硬度和剛度,以及良好的熱穩(wěn)定性,使鎂合金表現(xiàn)出較高的硬度、剛度,以及良好的熱穩(wěn)定性?，F(xiàn)有Mg2Zn2Al鎂合金的常溫強(qiáng)度還有待于進(jìn)一步提高,除了加入Ca、Zr等合金元素細(xì)化晶粒、提高合金強(qiáng)度之外,一般在Mg2Zn2Al鎂合金中添加稀土元素可以顯著細(xì)化晶粒、提高鎂合金力學(xué)性能22,34。#93#230:1109LuoZP,etal.MaterLett

17、,1994,21(1):85LuoZhiping,ZhangShaoqing,SongDeyu.ActaMetallSinica,1994,17(2):133YiS,etal.MaterSciEng,2001,A300:312KoshikawaN,YodaS,EdagawaK,etal.JapnJApplPhys,2001,40:6328TangYL,ZhaoDS,LuoZP,etal.ScrMetallMater,1993,29(7):955MatsumuroA,FujitaJ,KatoK.JMaterSciLett,1997,16:2032MizutaniU,SakabeY,Matsuda

18、T.JPhys:CondensMat291011121314153 準(zhǔn)晶增強(qiáng)高性能鎂合金的應(yīng)用前景鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,它具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高,阻尼性、導(dǎo)熱性、切削加工性、鑄造性能好,電磁屏蔽能力強(qiáng),尺寸穩(wěn)定,資源豐富,容易回收等一系列優(yōu)點(diǎn)。但由于鎂合金在熔煉和加工過(guò)程中極容易氧化燃燒,生產(chǎn)難度很大,且耐蝕性較差,高溫強(qiáng)度、蠕變性能較低,使其在工業(yè)上的應(yīng)用受到極大限制。而準(zhǔn)晶相增強(qiáng)鎂合金還具有強(qiáng)度高、抗震性能好,熱穩(wěn)定性及耐磨、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)1,它的出現(xiàn)使得鎂合金進(jìn)一步向著高強(qiáng)度、耐熱、阻燃、耐蝕、抗變形等方向發(fā)展,并在交通、車輛、3C產(chǎn)品中有著更為廣闊的應(yīng)用前景。在汽

19、車工業(yè)領(lǐng)域,鎂合金零件帶給汽車的好處是顯而易見(jiàn)的。準(zhǔn)晶增強(qiáng)型鎂合金鑄件良好的耐磨耐蝕性可以延長(zhǎng)零件的使用壽命,在一定程度上降低了生產(chǎn)成本,從而帶來(lái)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益2。3C(計(jì)算機(jī)類、通訊類、消費(fèi)類電子產(chǎn)品)是當(dāng)今全球發(fā)展最為迅速的產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)鎂合金正越來(lái)越多地被用于制作筆記本電腦及手機(jī)外殼,而準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金比傳統(tǒng)鎂合金具有更高的延展性及耐磨、耐蝕性,使用這種鎂合金將進(jìn)一步提高產(chǎn)品的外觀及使用性能。然而,目前準(zhǔn)晶的實(shí)際應(yīng)用僅限于表面涂層和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料方面,其他領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。在鎂合金研究熱潮中,如果能利用準(zhǔn)晶的優(yōu)異性能,開(kāi)發(fā)新工藝、新技術(shù),進(jìn)一步將我國(guó)鎂合金的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì),一

20、方面為汽車、摩托車、航空航天行業(yè)提供更為優(yōu)質(zhì)、低成本、環(huán)保節(jié)能的鎂合金材料和制品;另一方面也可以為高強(qiáng)韌性鎂基材料的研究開(kāi)發(fā)找到一條新途徑,進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)航空航天、軍工、交通工具、機(jī)械體育等事業(yè)的發(fā)展2,35,36。參考文獻(xiàn)1肖華星.常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2004,17(4):12王渠東,丁文江.世界科技研究與進(jìn)展,2004,126(3):393史菲,郭學(xué)鋒,張忠明.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2004,1:1124盧慶亮,閔光輝,王常春,等.山東大學(xué)學(xué)報(bào),2005,2:105CheungLY,ChanKC,ZhuYH.JMaterProcTechn,2002,123:2456BourgeoisL,Mendi

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