高性能鑄造鎂合金最新進展
1 . 介紹
鎂及其合金由于具有密度低、阻尼性能好、生物相容性好、可回收利用、儲氫容量大、電池理論比容量高等優(yōu)異的理化性能，被認為在以下領域具有廣闊的應用前景。航空航天、交通運輸、電子 3C、生物醫(yī)學和能源領域。然而，鎂及其合金的這些優(yōu)點要在大規(guī)模工業(yè)應用中發(fā)揮重要作用，仍有許多困難需要克服。在結構材料方面，鎂合金強度低、塑性和耐蝕性較差，阻礙了鎂及其合金的大規(guī)模應用；在功能材料方面，仍需解決鎂合金降解速度過快、充放電窗口窄等問題。
近十幾年來，許多學者針對上述不足進行了大量研究。鎂合金的極限抗拉強度(UTS)達到500 MPa。 伸長率(EL) 達到30%以上。通過表面處理，鎂合金的耐腐蝕性能得到有效提高。經過多年的研究，鎂基材料的儲氫能力也得到了提高 其他鎂基功能材料也取得了顯著進展。例如，鎂合金具有優(yōu)良的導熱性，已廣泛應用于LED等領域；鎂的電磁屏蔽性能優(yōu)越，已應用于電磁屏蔽領域。但是，性能優(yōu)良的鎂及其合金仍然很少見，加工工藝還很苛刻，鎂合金的強度和塑性還不能同時提高。這些缺點也限制了鎂合金的大規(guī)模應用。
近兩年，許多學者對鎂及其合金進行了大量研究，以促進其日益擴大的應用，包括成分優(yōu)化、加工工藝改進、微觀結構表征和理解等。目前的工作旨在回顧 2018-2019 年全球鎂及其合金的重要進展。
2 . 鑄造鎂合金 2.1 . 耐熱鑄造鎂合金
2018-2019年，耐熱鑄造鎂合金以含RE合金尤其是含Gd合金為主，世界范圍內開發(fā)的一些新型耐熱鑄造鎂合金的力學性能。砂鑄 Mg-Gd-Y-Zr 的極限抗拉強度在 200°C 時達到 350 MPa，在 125°C 時達到 368 MPa。然而，高含量的Gd導致成本高，限制了其汽車應用。仍然需要具有優(yōu)良高溫性能和低成本的合金。
耐熱鑄造鎂合金的力學性能。
合金 (wt%) 健康）狀況 25℃ 200℃ 蠕變率 (s -1 ) 參考 YS (MPa) 單位制（兆帕） EL (%) YS (MPa) 單位制（兆帕） EL (%) Mg-3Gd-2Ca T4 —— —— —— —— —— —— 1.96 × 10? − ?8 (210 °C/100 MPa/100 h) T6 —— —— —— —— —— —— 4.92 × 10? − ?8 (210 °C/100 MPa/100 h) Mg-7Al-3Ba-3Ca 高壓直流電 203 230 1.6 —— —— —— 8 × 10? − ?8 (200 °C/100 MPa/225 h) Mg-10Gd-3Y-0.5Zr T6 247 360 2.7 250 350 —— —— Mg-3.5Sm-2Yb-0.6Zn-0.5Zr T6 297 228 5.7 182 279 18.2 ——張明星團隊開發(fā)了一種具有良好抗蠕變性的 Mg-3Gd-2Ca (wt%) 合金。他們發(fā)現(xiàn)，在 210 °C/100 MPa 下測試 100 小時時，固溶處理 (T4) 合金比峰值時效合金 (T6) 表現(xiàn)出更好的抗蠕變性。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，測得的最小蠕變速率在 T4 合金中為 1.96 × 10 -8 s -1，在 T6 合金中為4.92 × 10 -8 s -1。微觀結構分析表明，這歸因于 Gd-Ca 共簇的固溶強化（特別是在蠕變早期）和動態(tài)沉淀硬化（特別是在蠕變后期）的協(xié)同作用。
加夫拉斯等人。開發(fā)了一種具有良好蠕變性能的高壓壓鑄（HPDC）DieMag633（Mg-6Al-3Ba-3Ca）合金。他們檢查了 HPDC 合金的抗壓縮蠕變性能，包括商用 AE42、AE44-2、AE44-4、MRI230D、DieMag211、DieMag422 和 DieMag633 合金。密度測量表明 DieMag211 和 DieMag633 的孔隙率最低，分別只有 1.8% 和 1.5%。MRI230D 和兩種高濃度 DieMag422、DieMag633 合金在 200°C 時的抗蠕變性最好。室溫和 150 °C 下的拉伸性能也顯示出類似的趨勢。DieMag633 合金具有出色的強度。微觀結構觀察揭示了高壓壓鑄合金中的各種相。這種熱穩(wěn)定相通過抑制熱不穩(wěn)定相 Mg 的形成有助于提高抗蠕變性17鋁12。
Wencai Liu 等人開發(fā)了一種在室溫和高溫下都具有高強度的低壓砂鑄 Mg-10Gd-3Y-0.5Zr (wt%) 合金。，具有優(yōu)異的耐熱性能。在室溫下測試的合金在 250°C 下峰值時效 12 小時的 UTS、YS（屈服強度）和 EL 分別為 360 MPa、247 MPa 和 2.7%。225 °C × 14 h 時效合金的 UTS 和 YS 都隨著試驗溫度從室溫升高到 200 °C 而增加，并在 200 °C 時達到 350 MPa 和 250 MPa 的峰值（（a）），而 UTS 250 °C × 12 h 時效合金的 YS 和 YS 從室溫增加到 125 °C，并在 125 °C 時達到 368 MPa 和 255 MPa 的峰值（（b））。
孟健課題組成功開發(fā)了一種在高溫下具有更高強度和延展性的鑄造 Mg-3.5Sm-2Yb-0.6Zn-0.5Zr (wt%) 合金。用永久模具鑄造制備的合金的 YS 為 182 ± 4 MPa，UTS 為 279 ± 6 MPa，200 °C 下的伸長率為 18.2 ± 2.4%，YS 為 127 ± 4 MPa，UTS 為 186 ± 6 MPa，在 300 °C 時的伸長率為 15.0 ± 3.2%。發(fā)現(xiàn)在室溫和高溫下機械性能的改善主要歸因于細晶粒、基底和棱柱狀沉淀物的沉淀以及晶界附近和三齒狀沉淀物周圍的無顆粒區(qū)。
2.2 . 高性能鑄造鎂合金
在過去的幾十年中開發(fā)了許多高強度鎂合金。Fusheng Pan 等人總結了 2018 年之前開發(fā)的高強度鑄態(tài) Mg-Gd 和 Mg-Y 基合金。和張景懷等。。2018年之前的工作主要集中在提高抗拉強度，但延伸率還沒有那么高。例如，Mg-6.5Gd-2.5Dy-1.8Zn 合金和 Mg-8Gd-3Y-0.4Zr 的極限拉伸強度和伸長率分別為 392 MPa 和 362 MPa，分別為 6.1% 和 7.6% . 2018 年和 2019 年，還報道了幾種高強度鑄造鎂合金，如。重要的進展在于鑄造合金的延伸率有了很大的提高。
高性能鑄造鎂合金在室溫下的機械性能。
合金 (wt%) 鑄造方法 熱處理 YS (MPa) 單位制（兆帕） EL (%) 參考 Mg-10Gd-1Zn-0.5Zr 永久模具鑄件 460℃ × 12 小時 + 200℃ × 48h 205 303 6.6 Mg-10Gd-2Y-1Zn-0.5Zr 永久模具鑄件 480℃ × 12 小時 + 200℃ × 12h 252 351 10.2 Mg–12Gd–0.8Zn–0.4Zr 砂鑄 530℃ × 18 小時 + 225℃ × 8 小時 —— 348 2.6 Mg-10Gd-3Y-0.5Zr 砂鑄 525℃ × 12 小時 + 250℃ × 12 小時 —— 325 5 Mg–2Z??n–0.2Y–0.5Nd–0.4Zr 永久模具鑄件 鑄件 89 203 35%重慶大學潘復生課題組成功研制出延伸率大于10%的Mg-10Gd-2Y-1Zn-0.5Zr鑄造鎂合金。該合金在峰值時效條件下具有 351 MPa 的極限抗拉強度和 10.2% 的延展性。此外，還開發(fā)了一種無 Y Mg-10Gd-1Zn-0.5Zr 合金，其極限抗拉強度為 303 MPa，峰值時效條件下的延展性為 6.6%。由于該合金主要由基體和塊狀 LPSO 相組成，因此在 420°C 下固溶 12 小時表現(xiàn)出最佳的機械性能。LPSO 相被確定為 10H 和 14H 類型。
王等人。來自上海交通大學的張等人開發(fā)了一種高強度砂型鑄造 Mg-12Gd-0.8Zn-0.4Zr 合金，其極限抗拉強度為 348 MPa，伸長率為 2.6%。合金的最高強度是通過 530 的固溶處理獲得的°C × 18 小時，然后是 225 小時的峰值老化℃ × 8 小時。
Enhou Han 的團隊發(fā)現(xiàn) Mg-10Gd-3Y-0.5Zr 合金（GW103）（中伸長率的異常正應變率依賴性。在應變速率為1×10 -1 s -1 時，GW103 合金的極限抗拉強度達到325 MPa 左右，斷裂伸長率為5%。此外，對于具有主要 β' 析出相的高強度 Mg-10Gd-3Y-0.5Zr 合金的時效樣品，通過影響加工硬化階段的動態(tài)恢復，析出物間距被認為是延性的主要影響因素。通過滑移跡分析的微觀結構表征揭示了金字塔形 〈c ?+? a〉 滑移、基底滑移的非施密德行為和滑移傳遞誘導了高 RT 延展性。
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