高強(qiáng)鎂合金的研制
2022-08-18
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鎂合金是目前使用的較輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度為1.74 g/cm3，僅相當(dāng)于鋁的2/3，鋼的1/4。同時(shí)鎂合金還具有比強(qiáng)度、比模量高、阻尼減振、電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優(yōu)點(diǎn)。目前鎂合金已成為國(guó)防軍事、航空航天、汽車、電子通信等工業(yè)領(lǐng)域的重要材料。例如，使用鎂合金制造汽車零部件，不僅能夠減輕汽車自身質(zhì)量、降低油耗，而且有助于汽車減振，從而改善汽車的舒適性和安全性;在國(guó)防軍工領(lǐng)域，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量意味著提高武器的射程和精度，也可以提高飛行器的機(jī)動(dòng)性能，還可以降低能量消耗。隨著我國(guó)大飛機(jī)、繞月、高速軌道交通、電動(dòng)汽車等大型工程項(xiàng)目的啟動(dòng)，必然對(duì)鎂合金有更大的期望，也提出了更高的要求。
然而，目前的鎂合金絕對(duì)力學(xué)性能仍然偏低。高強(qiáng)鎂合金的研制是當(dāng)前材料科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
一、利用稀土提高鎂合金強(qiáng)度。在鎂合金中加入Nd，能夠提高合金的高溫強(qiáng)度，并使鑄件組織致密。研究表明，Mg-4.4Zn-1.2Nd-0.35Zr合金在低于473K時(shí)有較高的抗拉強(qiáng)度，而Mg-4.4Zn-2Nd-0.35Zr合金在高于523K時(shí)顯示出較高的抗拉強(qiáng)度。Gd和Y具有良好的時(shí)效強(qiáng)化作用，添加Gd和Y能夠明顯提高鎂合金的強(qiáng)度。將摩擦攪拌工藝引入Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金鑄造，獲得了顯著的晶粒細(xì)化效果，終獲得了439MPa的高強(qiáng)鑄造鎂合金。用傳統(tǒng)的鑄造擠壓制備Mg-10Gd-5.66Y-0.65Zr-1.6Zn合金，獲得抗拉強(qiáng)度為542MPa的超高強(qiáng)鎂合金棒材。用傳統(tǒng)熱軋方法制備的Mg-12Gd-1.9Y-0.69Zr合金和Mg-17Gd-0.51Zr合金，屈服強(qiáng)度都在360 MPa以上，抗拉強(qiáng)度都在400MPa以上。
二．利用塑性變形提高鎂合金性能。傳統(tǒng)鑄造鎂合金組織都很粗大，力學(xué)性能較差。由于鎂合金是六方結(jié)構(gòu)，塑性變形能力較差，傳統(tǒng)的單一的塑性變形方法難以進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。針對(duì)這一難點(diǎn)，采用大塑性變形技術(shù)，發(fā)揮其強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化效果，可以直接將材料的內(nèi)部組織細(xì)化到亞微米乃至納米級(jí)。大塑性變形技術(shù)包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓、累積疊軋等。采用大塑性變形制備的Mg-Y-Zn合金在250℃時(shí)獲得抗拉強(qiáng)度為400MPa，屈服強(qiáng)度為340MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)20%的綜合力學(xué)性能。結(jié)合兩種或多種傳統(tǒng)塑性變形工藝應(yīng)用于鎂合金是改善鎂合金塑性變形能力，提高綜合力學(xué)性能的又一思路。比如，結(jié)合擠壓、冷軋和時(shí)效工藝研制出屈服強(qiáng)度為445MPa，抗拉強(qiáng)度為482MPa的高強(qiáng)Mg-14Gd-0.5Zr鎂合金薄板。中南大學(xué)結(jié)合鍛造和軋制工藝研制了一種高強(qiáng)耐熱Mg-Gd-Y系合金，利用多向鍛造開坯，制備厚度為30～80 mm的厚板;然后采取熱軋方法，將厚板軋制成2～10 mm的薄板，較大總壓下量達(dá)到90%以上;軋制后經(jīng)時(shí)效處理，室溫時(shí)合金抗拉強(qiáng)度≥475 MPa，屈服強(qiáng)度≥440MPa，伸長(zhǎng)率≥3%;250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度≥330 MPa，伸長(zhǎng)率≥12%。這種制備方法擴(kuò)大了鎂合金的應(yīng)用范圍，特別是能夠滿足航空航天工業(yè)上的應(yīng)用。
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