耐熱鎂合金組織性能與強化機理研究

摘 要：鎂合金在交通運輸、航空航天等領域的巨大應用前景引起了世界各國研究機構和科研人員的關注。一直以來，歐美國家在耐熱鎂合金的開發和應用研究上都處于領先地位。隨著我國經濟的快速發展，高性能耐熱鎂合金的開發與應用得到我國政府、科研機構和研究人員的日益關注。特別是近十幾年來，我國在耐熱鎂合金的研究上已經呈現后來居上的態勢。作為一個鎂資源和稀土資源大國，進一步加快鎂的深加工水平，提高鎂制品的科技含量，開發出系列具有國際先進水平的新型高性能鎂合金和先進的鎂合金制備和成型新技術，將為我國國民經濟發展注入強勁的科技創新動力。

關鍵詞：鎂合金；組織；性能；強化機理

前言

鎂的比強度比鋁和鋼高，比剛度相當，常用于汽車發動機與傳動部件、軌道交通、航空航天器結構部件等。僅在汽車上，就有100多種零件采用鎂合金，比如德國大眾、美國通用、日本豐田和國內的上汽、東風、長安等公司已經在發動機、變速器和儀器儀表殼體及各種支架上應用鎂合金材料。但是，鎂合金在高溫使用時，其高溫強度和蠕變強度會急劇降低，使得使用范圍受到較大限制。因而耐熱鎂合金的研究和開發得到了科研機構和研究人員的關注。

1 研究目的

Mg-Th系列是最早開發的耐熱鎂合金，開發伊始大量應用于導彈和飛機，但是因為Th的放射性會造成人身傷害，因而已經不再使用。后來研究人員又開發了AE系、WE系、EZ系、AS系等稀土耐熱合金。稀土元素可以減小鎂合金晶界擴散的滲透性，減慢其相界的凝聚作用。而且，常見的稀土元素會和鎂元素形成熱穩定性較高的的第二相粒子，這些粒子在鎂合金變形的過程中起到阻礙位錯的作用，從而增加合金的抗變形強度。這些稀土鎂耐熱鎂合金長期使用溫度可達120℃以上，因而得到廣泛的開發和應用研究，然而，由于稀土的比重遠高于鎂，且鎂在澆鑄時極易燒損，其澆鑄工藝難控，所得合金的穩定性較差。同時，稀土耐熱鎂合金的塑性通常較差，不利于機械加工。

文章主要針對現有的商業化鎂合金高溫力學性能差，不能長期用于高溫環境的不足，以及已有的AS系鎂合金鑄造性能差，抗拉強度和屈服強度低，AE系凝固范圍窄，充型能力差等缺點，分析微量釓、鈧、釔等稀土元素及堿土族元素對耐熱鎂合金組織性能的影響，并研究多種強化機制對合金基體和晶界的強化作用，為開發新型鎂-稀土合金奠定研究基礎，以滿足汽車及航空工業對更高耐熱性能的要求。

2 鎂合金的組織及性能

2.1 常用耐熱鎂合金

美國在高強耐熱鎂稀土合金研究與應用上起步最早，開發了多種系列的稀土鎂合金，如AE系列鎂稀土壓鑄合金和WE系列合金，早已投入規模應用。歐洲是研究鎂合金最活躍的國家，主要開發的EK系列、EZ系列、QE系列等多用在飛機、導彈鑄件中，以及其后進行的Mg-Gd、Mg-Sc-Mn、Mg-Tb合金等稀土鎂合金的研究，奠定了歐洲各國的稀土鎂合金合金的基礎研究。日本在二戰結束后，大量吸收并相繼仿制出MC8（類似于EZ33A）、MC9（類似于QE22A）、MC10（類似于ZE41A）等稀土鎂合金。我國近十年來在耐熱鎂合金方面的研究呈現快速發展的趨勢，國家已經開始大力推動鎂合金產業化并出臺相關支持政策，與此同時將稀土在鎂合金中的應用研究作為重要課題立項給予支持。

在耐熱鎂合金的研究方面，研究人員主要研究和開發的合金系列有Mg-Zn系，Mg-Al系和Mg-RE系合金。在這些合金中，WE43和WE54是開發較為成熟的耐熱鎂合金，這些合金的室溫和高溫強度高，可在300℃的高溫下工作，并有較好的耐腐蝕性能。而QE型合金的疲勞抗力好，且具有較高的蠕變強度和優良高溫抗拉性能。

2.2 耐熱鎂合金中的相

通過觀察鎂合金的金相組織，發現在鎂合金中有較多的片狀析出物出現，這些析出物的在α鎂合金基體的棱面上形成慣習面，結構上呈緊密交錯的三角形，這種結構可以有效阻礙鎂合金基體在位錯運動時的滑移行為。例如，在Mg-Th合金中，觀察到亞穩態六角結構，并發現生成的穩態Mg23Th6 （fcc）相，就是在基體的棱面上形成的緊密交錯結構。

2.3 稀土元素在合金中的作用

由于稀土元素在Mg合金中，極易形成穩定的相結構，因此很多學者在耐熱鎂合金的研究中，通過添加Y、Sc、Gd等稀土元素來改善鎂合金的相結構，從而試圖提高鎂合金的耐腐蝕性能和高溫性能。鈧可以在鎂合金中形成穩定的析出相，且形成的析出相在基體中的擴散速度慢，是一種極具潛力的鎂合金添加元素。但是，Mg-Sc合金的蠕變性能不好，為了提高其蠕變性能，必須添加其它元素進行復合強化。常見的加入元素是Mn，Mn和Sc在鎂合金中形成強化相Mn2Sc和Mn23Sc6，可以有效提高合金的抗蠕變性能。除了添加Mn元素，還可以在Mg-Sc合金中添加Gd、Y等元素，添加Gd、Y等價格較低的元素，一方面可以降低成本較高的Sc的添加量，從而降低Mg-Sc合金成本較高的問題，另一方面通過多種合金成份的優化設計，得到多元合金MgMnGdSc等，不僅成本適中，而且合金的抗蠕變性能比Mg-Sc合金好，耐腐蝕性能也得到改善。在這些多元合金中，生成的主要強化相有Mn23Sc6、GdMg5、Mn23Sc6、Mg24Y5和Mn12Y等，這些強化相都可以提高合金的穩定性和力學性能。

從稀土元素在鎂合金中的作用來說，Gd元素的加入與Sc元素起到的作用較為相似，二者都能夠提高鎂合金的熔點，增加合金生成相的穩定性，并且提高合金高溫性能和抗蠕變性能。研究表明，合金的多元化添加和成分優化設計，是提高耐熱鎂合金性能的有效途徑之一。

從稀土元素的相結構來看，大多數稀土元素在鎂合金中會發生沉淀，它們的沉淀序列取決于熔鑄的溫度，一般來說沉淀序列開始于170～200℃，在合金中生成密排六方結構的β相，這些β相在合金中大多形成超點陣結構。隨著溫度的升高，相結構發生轉變，并在 200～250℃時形成體心正交結構的β相。溫度繼續升高到300℃以上時，在鎂合金的晶內及晶界上生成平衡的面心立方β沉淀相，這些沉淀相在合金中呈不均勻分布狀態。由于稀土元素在鎂合金中生成熱穩定性高的的顆粒相，并在合金中彌散分布，從而使鎂合金表現出較好的耐熱性能。

3 鎂合金強化及其機理

3.1 強化方式

鎂合金可以通過固溶強化、析出強化和彌散強化等方式提高鎂合金基體高溫蠕變性能。

在鎂合金中加入Sc、Gd、Y、Mn、Ca等多種溶質元素，可以提高合金的均勻化溫度和彈性模量，形成難熔的固溶體，從而減慢合金的擴散和自擴散過程，融入固溶體中的溶質原子還可以形成晶格畸變，增大位錯攀移的阻力，從而提高合金的強度和蠕變性能。

在鎂合金基體中加入稀土等溶質元素，這些稀土元素與鎂基體共同作用，形成固溶度隨溫度下降而降低的析出相，這些析出相往往形成彌散分布的硬質點，充斥在合金基體中，對合金變形時的滑移位錯造成阻礙，使得合金得到強化。

稀土元素在合金中往往形成彌散分布的稀土第二相，這些相熔點很高而在鎂基體中溶解度較小，當這些彌散相在鎂合金中分布均勻，可大大提高耐熱鎂合金的高溫強度。

3.2 強化晶界的措施

稀土作為活性元素，在鎂合金中會內吸附現象而聚集在晶界處，這些聚集的粒子可以提高鎂合金的蠕變性能。但是，因為晶界處的粒子集聚，也容易因晶格缺陷較多使原子擴散遷移速度加快，導致晶界強度部分降低，從而導致合金強度提升并不十分明顯。因此在鎂合金強化晶界的過程中，應施加一定措施，保證晶界強化的效果。

（1）添加稀土等高熔點元素，與鎂合金反應生成大量細小析出硬化相，聚集在合金晶界處。

（2）盡可能增大析出相的晶粒尺寸，從而使得原子擴散距離增大，提高晶界聚集的程度，但是帶來的不利影響是鎂合金晶粒尺寸的增加可能導致合金的力學性能的降低。

（3）對于耐熱鎂合金，Al、Zn、Ni、Cu、Ca、Ce、Th、Y、Sc、Mn、Gd等合金元素都能夠在合金基體中形成強化相。當合金溫度降低時，這些強化相因固溶度降低，而往往富集于晶粒表面和晶界處，并填充晶界處的晶格空位。這些富集物會阻礙鎂合金的晶界滑移，改善晶界附近的組織形態，從而能改善鎂合金的高溫性能和抗蠕變性能。

4 結束語

我國是鎂資源大國，但由于原鎂生產工藝落后，鎂合金開發水平低下，鎂制品技術含量低，原鎂出口價位低、經濟效益差，這極大地影響了我國鎂工業的健康發展。要徹底改變我國鎂工業面臨的不利局面，就必須充分提高原鎂的深加工水平，提高鎂制品的科技含量，加強科技創新，鼓勵原始創新和集成創新，開發出系列具有國際先進水平的新型高性能鎂合金和先進的鎂合金制備和成型新技術，為國民經濟發展注入強勁的科技創新動力。

參考文獻

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作者簡介：孔凡校（1981-），男，漢族，河北邢臺人，講師，碩士。