利用稀土提高鎂合金的高溫力學(xué)性能
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鎂及鎂合金是目前可應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有鋁和鋼不可替代的性能，如高比強(qiáng)度、高比彈性模量、高阻尼減震性、高導(dǎo)熱性、高靜電屏蔽性、高機(jī)械加工性和極低的密度等，在科技前沿的航空航天領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，被用來(lái)制作飛機(jī)、導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星上的重要機(jī)械裝備零件，以達(dá)到輕量化、優(yōu)化性能及降低成本的目的。但是，鎂合金高溫強(qiáng)度和蠕變性能較差，限制了其應(yīng)用。特別是在航空航天器和武器裝備上，鎂合金難以用于制作高溫長(zhǎng)時(shí)間使用的部件。鎂合金高溫性能較差的主要原因是：傳統(tǒng)鎂合金的時(shí)效析出強(qiáng)化相，如Mg17Al12、Al-Mn相等，均缺乏有效的耐高溫性能。
研究發(fā)現(xiàn)，稀土是所有合金元素中提高鎂合金耐熱性能最有效最直接的合金元素。因此，加稀土元素來(lái)提高鎂合金的高溫性能成為當(dāng)前鎂合金一個(gè)研究熱點(diǎn)。在鎂合金中添加的稀土元素大致可以分為兩類: 一類是在鎂合金中固溶度較小的Ce、Pr等; 另一類是固溶度較大的Y、Nd等，其強(qiáng)化機(jī)理是固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化。稀土鎂合金通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，大部分含稀土鑄造鎂合金在室溫和高溫下都有較好的性能。稀土元素在晶內(nèi)可以和基體形成共格的高熔點(diǎn)、高溫下低擴(kuò)散的金屬間化合物，因此可以提高材料的高溫力學(xué)性能。
據(jù)報(bào)道，Mg-5Al-1Si合金在加入微量稀土Nd后可以提高其抗高溫蠕變性能；在鎂合金AM50中加入1%的Y后，抗高溫蠕變性能明顯改善；加入La也能提高合金蠕變抗力。另?yè)?jù)報(bào)道，添加0.5%Sr和1.5%Y對(duì)AZ31鎂合金有明顯的細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，其250℃ 的高溫力學(xué)性能明顯提高，σ0.2=101MPa、σb=117MPa、δ=37.75%，相比AZ31分別增加了46.4%、54.5%和53.02%; 該合金在250℃高溫拉伸的斷口表現(xiàn)出典型的韌性斷裂，斷口形貌為大量韌窩及撕裂棱。在壓鑄AZ91合金中加入適量的Ce后，Ce與合金中的Al生成Al4Ce，取代了部分耐高溫性能差的Mg17Al12相，提高了合金在150℃時(shí)的強(qiáng)度。國(guó)外有報(bào)道，添加稀土元素Gd試制出Mg-9Gd-4Y-0.6Mn合金和Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金，顯示出優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，明顯優(yōu)于WE54和WE43合金。
特別值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，部分稀土鎂合金存在較高溫度的強(qiáng)度高于室溫強(qiáng)度的現(xiàn)象。例如，GW123K在150℃和200℃的拉伸強(qiáng)度均高于室溫。又如，砂鑄Mg-10Gd-3Y-Zr合金在200℃時(shí)具有高于室溫的拉伸強(qiáng)度。上述獨(dú)特的強(qiáng)度反常現(xiàn)象可能是由于高溫下一方面原子擴(kuò)散速度的加快加強(qiáng)了其釘扎位錯(cuò)作用，從而增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度; 另一方面高溫時(shí)稀土與基體鎂反應(yīng)生成了高熔點(diǎn)的熱穩(wěn)定相，這些熱穩(wěn)定相彌散分布在晶界上阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。
鎂合金作為一種新型優(yōu)質(zhì)材料，在未來(lái)應(yīng)用中有著廣闊的天地。中國(guó)稀土資源世界第一，大力研發(fā)附加值高的先進(jìn)鎂稀土合金，并應(yīng)用于高精尖行業(yè)上，是我國(guó)金屬研究的一個(gè)具有重要戰(zhàn)略意義的任務(wù)。
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