镁科研:高性能铸造镁稀土合金研发与应用现状综述

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01 论文概述

随着轻质结构材料在航空航天、国防军工及汽车等重要工业领域中的大规模应用,镁合金以其低密度、高性能的特点受到科研人员的高度重视,并得到企业界的重点关注。在镁合金体系中,相比于传统的镁铝系和镁锌系合金,以稀土为主要合金元素的镁稀土合金具有更高的强度和抗蠕变性能,因而其作为结构材料在上述关键领域具有广泛的应用前景。基于上述需求,近年来国内外学者开发了一系列高性能的镁稀土合金材料,并开展了相关的制备、加工技术和应用研究,取得了较大的进展。但在镁稀土合金开发和应用过程中,仍遇到一些困难及技术瓶颈难题,主要表现在材料的成分设计、熔体纯净化与细化、材料制备与成型加工技术及产业化应用等方面。
近日上海交通大学轻合金精密成型国家工程中心丁文江院士、吴国华教授与江苏大学材料学院汪存龙博士及上海理工大学材料学院孙明博士等人系统综述了高性能铸造镁稀土合金的研发与应用概况。该文主要针对镁稀土合金的材料设计、熔体纯净化与细化、材料液态加工技术、镁稀土合金的产业化应用等进行了详细的综述。
(1)高性能镁稀土合金材料体系的开发
稀土元素(RE)通常分为两类,即轻稀土和重稀土,已经开发的高强耐热Mg-RE系合金主要以重稀土为主,例如Mg-Gd,Mg-Y,Mg-Nd,Mg-Dy,Mg-Sm等。上述新近开发的高性能Mg-RE合金具有与常规Mg-Al或Mg-Zn系列合金相当的密度但力学性能得到大幅度提高;而与铸造Al合金相比,其具有相当的强度和更低的密度;因而镁稀土合金具有兼具高强度和低密度的优势。常见的铸造铝合金和镁合金的屈服强度和抗拉强度随轻金属密度变化的示意图如图1所示。由于Mg-Gd和Mg-Y合金具有很强的时效硬化能力和潜在的实际加工潜力,因此成为研究最多的合金,而现有的高性能镁稀土合金也主要基于此两种体系。

图1 常见的铸造轻金属材料(镁稀土合金和铸造铝合金、镁铝系合金及镁锌系合金)(a)屈服强度和(b)抗拉强度与密度关系对比
(2)镁稀土合金的铸造性能、熔体纯净化和晶粒细化研究
在镁合金的熔炼和铸造过程中,合金的铸造性能、熔体纯净度和晶粒尺寸控制等是需要重点考虑的因素。铸造性能方面,镁稀土合金的熔体流动性、抗热裂能力良好,研究人员讨论了金属型和砂型铸造以及采用不同涂料的铸造试验情形,经过实验对比研究发现镁稀土合金的铸造性能可以满足不同的应用需求。熔体纯净化方面,由于稀土元素活性强,作为主要合金元素对镁合金熔体的活性产生很大影响。此外,稀土元素价格较为昂贵,熔炼过程中的损耗必须得到有效控制,因而开发出了适用于镁稀土合金的专用熔剂JDMJ及复合净化方法。晶粒细化的研究方面,传统的镁稀土合金均采用Mg-Zr中间合金进行细化,但其收得率较低且细化效果会随着时间延长而衰减,因而研究者们探讨了采用富Zr盐的替代方案获得了与中间合金相当的细化效果;同时来自澳大利亚和中国的学者都发现采用添加纯铝原位生成Al2RE型金属间化合物可以有效细化镁稀土合金的晶粒尺寸。

图2 采用添加不同含量纯铝对Mg-10Gd-3Y合金进行细化后的微观组织:(a)0%、(c)0.62%、(e)1.08%及(f)晶粒尺寸与铝添加量关系
(3)镁稀土合金的液态成型工艺
除了常见的金属型和砂型重力铸造外,一些在铝合金和其它金属材料中被证明可以有效提高零部件生产效率并提高性能的方法也被研究者们推广到镁稀土合金中。该文综述了镁稀土合金的几种液态精密成型工艺,如低压砂型铸造可以被应用于大尺寸、薄壁且复杂结构的镁稀土合金零部件生产中;其次,真空高压压铸制备的Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金可以经过短时间的高温固溶处理及常规的时效处理得到强化,因而开发出了一类新型的压铸用镁合金;研究表明挤压铸造镁稀土合金可以获得近乎完全致密的零部件且零部件可通过高温热处理进行强化,极大发挥了镁稀土合金的能力。另外,该文还对新近发展较好的半固态成型工艺进行了简要综述,由于镁稀土合金独特的化学活性,使得镁稀土合金的半固态浆料制备及其触变成型和流变成型工艺都变得复杂。研究者们尝试了多种方法开展其半固态浆料的制备,发现直接或间接超声振动、低频电磁搅拌等方法可以促进初生相由粗大的树枝状向细小的球状转变。采用触变成形所制备的镁稀土合金零件被证明具有相较于常规铸造更好的力学性能,而关于镁稀土合金的流变成型的研究相对较少,主要困难在于成型过程中合金的成分和温度等工艺参数较难以准确控制。

图3 Mg-Gd-Zn合金半固态浆料的微观组织:(a)未经处理及(b)低频电磁搅拌处理后
(4)镁稀土合金的产业化应用
该文分别综述了镁稀土合金在航空航天、武器军工及汽车等民用领域的应用,如WE43C是最早被应用于商用客机航空座椅的镁合金材料,主要得益于相关标准的重新制定以及镁稀土合金材料在强度和阻燃性等性能方面的优势。上海交通大学轻合金精密成型国家工程中心开发的JDM1和JDM2系列镁稀土合金,已被应用于空天飞行器、直升机、发动机、导弹、卫星等关键部件的研发与批产,在保证力学性能的前提下大幅度降低了零部件重量。而在民用领域,镁稀土合金由于成本较高等因素尚未大规模应用,采用JDM1镁稀土合金制备的V6发动机缸盖和轮毂都经过长时间的台架实验和路试实验也被证明可以有效替代原有材料同时实现轻量化,相信在材料和工艺成本不断优化后,镁稀土合金也会在民用领域得到更多的产业化应用。

图4 采用Elektron®43 (WE43C)镁稀土合金制造的航空座椅

图5 汽车工业中镁稀土合金的应用案例:(a)低压砂型铸造制备的V6发动机缸体,(b)铸造-旋压成型工艺制备的20英寸轮毂及(c)倾转浇注制备的发动机缸盖
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本文作者2021-2-22 13:38
镁途
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