摘要：壓鑄耐熱鎂合金的發(fā)展對(duì)促進(jìn)汽車輕量化進(jìn)程具有重要意義。分析了壓鑄鎂合金的高溫強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形機(jī)制，并結(jié)合壓鑄耐熱鎂合金的特點(diǎn)探討了其提升強(qiáng)度及塑性的有效方式。總結(jié)了壓鑄耐熱鎂合金的研究進(jìn)展，從合金開(kāi)發(fā)、高溫性能、微觀組織、失效原因等角度進(jìn)行了分析。此外，結(jié)合壓鑄耐熱鎂合金對(duì)鑄造性能和高溫性能的要求，討論了其發(fā)展前景。

近年來(lái)，為了降低汽車能耗和尾氣排放量而提出了汽車輕量化的要求。汽車輕量化包括汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝等。鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，兼具高比強(qiáng)度/比剛度、良好的減震性能及散熱性能等，得到廣泛的重視。壓鑄工藝作為鎂合金中應(yīng)用最廣的工藝，相比于擠壓、軋制等方式，更適合一體化生產(chǎn)表面精度高、形狀復(fù)雜的薄壁件；同時(shí)相比于重力鑄造，壓鑄工藝生產(chǎn)效率更高，經(jīng)濟(jì)效益更好，更適用于汽車用鎂合金的批量成形，因此壓鑄鎂合金在汽車輕量化進(jìn)程中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前典型壓鑄鎂合金有AZ91 (Mg-9Al-1Zn)、AM50 (Mg-5Al-0.3Mn)和AM60 (Mg-6Al-0.3Mn)主要用于汽車殼體、支架、蓋子等服役溫度低于120 oC的次受力結(jié)構(gòu)件上；壓鑄耐熱鎂合金AE44 (Mg-4Al-4RE)等用于服役溫度低于175 oC的高溫部件中。對(duì)于服役溫度約200 oC的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件等，目前還是以鋼和鋁合金為主，尚沒(méi)有壓鑄耐熱鎂合金滿足服役要求。為了進(jìn)一步推進(jìn)汽車輕量化進(jìn)程，加快壓鑄鎂合金在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速箱等高溫部件中的應(yīng)用，需要開(kāi)發(fā)高溫性能更好的壓鑄耐熱鎂合金以取代目前所用的A380鋁合金。

本課題從鎂合金的高溫強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形機(jī)制著手，探討壓鑄鎂合金提升高溫強(qiáng)度及塑性的有效方式。同時(shí)結(jié)合近年來(lái)的研究工作，總結(jié)壓鑄耐熱鎂合金的研究進(jìn)展，探討其發(fā)展方向，為壓鑄耐熱鎂合金的后續(xù)研發(fā)提供一定的參考。

1、壓鑄耐熱鎂合金

近年來(lái)耐熱鎂合金的發(fā)展主要集中在重力鑄造鎂合金上，以Mg-RE系為主的Mg-Y-Gd-Zn、Mg-Y-Zn-(Zr)、Mg-Gd-Zn-(Zr)等合金熱處理后具有很強(qiáng)的彌散強(qiáng)化作用，其高溫強(qiáng)度超過(guò)了汽車用耐熱鋁合金。CHEN等研究的砂型鑄造WG103合金經(jīng)過(guò)T6峰值時(shí)效處理后，其室溫和250 oC時(shí)的抗拉強(qiáng)度分別為341 MPa和307 MPa，伸長(zhǎng)率分別為2.5%和9.6%。JAFARI NODOOSHAN等研究的WG123-T6合金在250 oC時(shí)抗拉強(qiáng)度為320 MPa，伸長(zhǎng)率為8%。LU等在Mg-Gd-Y-Zr體系中加入一定量的Zn，經(jīng)金屬型鑄造并經(jīng)T6熱處理的WGZ1152鎂合金在200 oC時(shí)的抗拉強(qiáng)度為345 MPa，300 oC時(shí)也能保持在266 MPa。表1為部分Mg-RE系重力鑄造鎂合金在不同溫度下的力學(xué)性能，同時(shí)以商用鋁合金A380作對(duì)比，可以看出重力鑄造Mg-RE系合金高溫力學(xué)性能優(yōu)于A380鋁合金。

表1:典型重力鑄造鎂合金的力學(xué)性能
注：S為砂型鑄造；PM為金屬型鑄造；D為高壓鑄造；T6為經(jīng)過(guò)固溶處理后再進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài)；F為鑄態(tài)

相比于重力鑄造鎂合金，壓鑄鎂合金一方面要求所選取的合金具有良好的鑄造性能，以確保獲得高質(zhì)量的鑄件；另一方面，在壓鑄過(guò)程中，熔融金屬液高速填充、快速冷卻，型腔中的氣體來(lái)不及排出，使壓鑄件內(nèi)部存在氣孔，高溫時(shí)氣孔內(nèi)的氣體膨脹會(huì)使壓鑄件表面鼓泡，因此無(wú)法熱處理]。

2、高溫強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形機(jī)制

2.1 高溫強(qiáng)化機(jī)制

鎂合金常溫強(qiáng)化機(jī)制涉及固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化，其中細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化占主導(dǎo)作用[15]。高溫強(qiáng)化機(jī)制研究尚不系統(tǒng)，但主流的方式是固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化。對(duì)于晶粒細(xì)小的壓鑄鎂合金，高溫強(qiáng)化的一個(gè)主要手段是引入熱穩(wěn)定性良好的第二相釘扎晶界，以此同時(shí)實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用，同時(shí)配合固溶強(qiáng)化以提升合金性能。

壓鑄鎂合金對(duì)合金鑄造性能有較高的要求，最主流的壓鑄鎂合金以鑄造性能良好的Mg-Al系為主。常溫下，固溶Al與Mg形成無(wú)序固溶體，與位錯(cuò)呈彈性交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到一定的強(qiáng)化作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，Al的固溶強(qiáng)化作用基本可以忽略。此外，近年來(lái)高性能壓鑄Mg-RE系的開(kāi)發(fā)使得RE元素的固溶強(qiáng)化引起了廣泛的關(guān)注。研究者認(rèn)為，RE元素尤其是Y與Gd在室溫和高溫下的固溶強(qiáng)化作用遠(yuǎn)優(yōu)于Al，是Mg-RE合金耐熱性能好的一個(gè)主要原因。RE元素的固溶強(qiáng)化作用可能涉及到元素的短程有序分布 (SRO)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效等，尚需進(jìn)一步探究。

壓鑄合金易在高溫下產(chǎn)生“鼓泡”，因此無(wú)法通過(guò)熱處理去實(shí)現(xiàn)其彌散強(qiáng)化。壓鑄鎂合金中的第二相強(qiáng)化主要是初生相對(duì)晶界的釘扎。如Mg-Al系中加入Si、Ca、Sr、RE等元素后，分別形成了熱穩(wěn)定性較高的Mg2Si、Al2Ca、Al4Sr和Al11RE3/ Al2RE相，有效提升了Mg-Al系合金的蠕變性能。此外，壓鑄鎂合金中可以形成LPSO相，KAWAMURA對(duì)一系列Mg-RE合金組織及性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在晶界處形成LPSO相的壓鑄合金，其高溫組織穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能都明顯優(yōu)于含有其他晶界相的合金。BAI等研發(fā)的一種Mg-Y-Zn合金，在晶界處形成網(wǎng)狀LPSO相，其室溫性能遠(yuǎn)優(yōu)于AE44鎂合金。因此致密的網(wǎng)狀LPSO相形成對(duì)晶界的釘扎將是新型壓鑄耐熱鎂合金高溫強(qiáng)化的一個(gè)有效機(jī)制。

2.2 塑性變形機(jī)制

室溫下，只有當(dāng)外應(yīng)力大于材料的屈服應(yīng)力時(shí)才會(huì)引起塑性變形。室溫塑性變形機(jī)制包含位錯(cuò)滑移、孿生和扭折，其中位錯(cuò)滑移是大部分金屬及合金塑性變形的主要機(jī)制。在密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)的金屬中，連續(xù)塑性變形要求同時(shí)開(kāi)動(dòng)和位錯(cuò)，其中位錯(cuò)可以是基面位錯(cuò)、棱柱面位錯(cuò)或錐面位錯(cuò)，但位錯(cuò)僅存在于錐面上，因此真正影響HCP金屬塑性的因素是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在純鎂中，與塑性變形有關(guān)的位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)包括滑移和交滑移。WU通過(guò)計(jì)算表明，錐面Ⅱ上的位錯(cuò)相比于錐面Ⅰ上的位錯(cuò)具有更低的能量。在低應(yīng)力和室溫下，錐面Ⅰ上的位錯(cuò)極易交滑移到錐面Ⅱ上，但錐面Ⅱ上的位錯(cuò)不能運(yùn)動(dòng)到錐面Ⅰ上，因此室溫下位錯(cuò)的滑移主要在錐面Ⅱ上進(jìn)行。但錐面Ⅱ上的位錯(cuò)處于亞穩(wěn)態(tài)，極易轉(zhuǎn)變成能量更低的不可動(dòng)位錯(cuò)，因而導(dǎo)致了純鎂室溫塑性差。除了位錯(cuò)滑移外，孿生也是鎂合金中常見(jiàn)的塑性變形機(jī)制。孿生一般發(fā)生在低溫、高應(yīng)變速率下，其對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)小于7%。孿生分為拉伸孿晶和壓縮孿晶與。此外，扭折也是塑性變形的一種機(jī)制，但對(duì)塑性變形貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于滑移和孿生，如在含有LPSO相的Mg-Y-Zn合金中尤其常見(jiàn)，它一定程度上協(xié)調(diào)鎂合金的塑性變形。

高溫下的塑性變形機(jī)制與變形條件有關(guān)，拉伸條件下，合金的塑性變形機(jī)制與常溫時(shí)類似，涉及位錯(cuò)滑移、孿生和扭折；蠕變條件下，變形機(jī)制以晶界滑移和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主。Boehlert等對(duì)加工態(tài)鎂合金拉伸條件下的塑性變形機(jī)制進(jìn)行了研究。對(duì)于軋制態(tài)AZ91合金，在較低溫度（約50 oC）時(shí)，孿生和位錯(cuò)滑移對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)相當(dāng)；隨著溫度升高到150 oC以上時(shí)，孿生的貢獻(xiàn)消失，塑性變形以位錯(cuò)滑移為主。位錯(cuò)滑移主要是基面、柱面以及錐面，不同溫度下，各類位錯(cuò)對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)也在發(fā)生變化。對(duì)于鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-10Gd-3Y-0.5Zr (wt.%)合金，250 oC時(shí)，鑄態(tài)合金的主要滑移系也涉及基面、柱面以及錐面，其中錐面位錯(cuò)占14%，但對(duì)于擠壓態(tài)的合金，不論是擠壓方向還是垂直于擠壓方向或是45 o方向，主要滑移系基面和柱面，而錐面對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)小于1%，基本可以忽略。隨著溫度的升高，擠壓態(tài)合金中基面和柱面位錯(cuò)對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)也在發(fā)生轉(zhuǎn)化。MO綜述了鑄造鎂合金的蠕變性能，結(jié)果表明，鎂合金在蠕變過(guò)程中的變形機(jī)制以晶界滑移、位錯(cuò)攀移和交滑移為主，具體的機(jī)制與溫度、應(yīng)力、應(yīng)變速率等因素有關(guān)。當(dāng)溫度和應(yīng)力都相對(duì)較低，如100~175 oC，60 MPa時(shí)，壓鑄Mg-Al合金以晶界滑移蠕變?yōu)橹鳎划?dāng)溫度在150 ~250 oC、應(yīng)力為60 ~120 MPa時(shí)，鎂合金以位錯(cuò)攀移為主；當(dāng)外加應(yīng)力接近于材料的屈服應(yīng)力時(shí)，合金以位錯(cuò)滑移和攀移蠕變?yōu)橹鳌?/a>

鎂合金的塑性變形機(jī)制除了與溫度、應(yīng)力、應(yīng)變速率等外部因素有關(guān)外，還受合金化元素的影響。WU的研究表明，合適的固溶元素也會(huì)促進(jìn)位錯(cuò)的滑移從而提高合金的塑性。0.03%~1 %（摩爾分?jǐn)?shù)）的RE，如Y，可以使位錯(cuò)的交滑移與增殖速率超過(guò)其向不可動(dòng)位錯(cuò)轉(zhuǎn)變的速率，進(jìn)而降低位錯(cuò)的臨界分切應(yīng)力(CRSS)，提高合金塑性。SANDLBES[52]也證明Mg-Y合金的室溫塑性達(dá)約20%，相比于純鎂的5%，有很大的提升。

綜上，溫度等外部因素與合金元素等內(nèi)部因素均會(huì)對(duì)合金的塑性變形機(jī)制產(chǎn)生較大的影響，而塑性變形機(jī)制與材料的力學(xué)性能密切相關(guān)，因此需要對(duì)材料的塑性變形機(jī)制進(jìn)行研究以開(kāi)發(fā)塑性較好的鎂合金。Mg-Y作為塑性較好的Mg合金系，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/a>

3、壓鑄耐熱鎂合金的研究進(jìn)展

壓鑄耐熱鎂合金的體系較少，目前主要是Mg-Al系和Mg-RE系，這與壓鑄對(duì)合金鑄造性能的要求密切相關(guān)。此外，由于不能進(jìn)行熱處理以達(dá)到彌散強(qiáng)化，這就要求壓鑄合金在鑄造過(guò)程中形成具有高性能的組織，目前主要是形成熱穩(wěn)定性良好的第二相釘扎晶界，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)合金高溫下的細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用。

Mg-Al系合金由于具有良好的鑄造性能，一直是壓鑄鎂合金的首選體系。在Mg-Al合金中添加合金元素，如Si、Sr、Ca、稀土元素RE等可以形成第二相以釘扎晶界，一定程度上提高合金的耐熱性，但目前綜合性能最好的商用壓鑄耐熱鎂合金AE44 (Mg-4Al-4RE)的服役溫度也不高于175 oC。此外，基于Mg-RE系合金也進(jìn)行了壓鑄工藝的嘗試，但目前尚沒(méi)有成熟的壓鑄Mg-RE系合金商用化。

3.1 AZ與AM系鎂合金

AZ和AM系是發(fā)展最早且到目前為止應(yīng)用最廣的壓鑄鎂合金，其中典型的合金是AZ91、AM50和AM60，這些合金兼具良好的力學(xué)性能、鑄造性能和抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于汽車的離合器殼體、剎車支架等次受力結(jié)構(gòu)件中。

表2是典型AZ和AM系壓鑄鎂合金的室溫及高溫拉伸性能，表3是AZ91合金的蠕變性能，同時(shí)以目前汽車高溫用A380鋁合金作對(duì)比。可以看出，室溫和150 oC下，典型壓鑄鎂合金強(qiáng)度遠(yuǎn)低于A380鋁合金。室溫下，AZ和AM系鎂合金抗拉強(qiáng)度在200 ~250 MPa，150 oC時(shí)為130 ~160 MPa；而A380鋁合金的室溫抗拉強(qiáng)度為330 MPa，150 oC時(shí)為235 MPa，均明顯高于傳統(tǒng)壓鑄鎂合金。此外，150 oC和175 oC時(shí)A380鋁合金的蠕變強(qiáng)度約為AZ91的6~8倍；150 oC，35 MPa~50 MPa時(shí)，A380鋁合金的蠕變應(yīng)變比AZ91的低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。AM50和AM60的蠕變性能與AZ91類似。因此傳統(tǒng)壓鑄AZ和AM系列鎂合金的高溫性能，尤其是蠕變性能差，限制其使用溫度一般不超過(guò)120 oC，無(wú)法應(yīng)用在溫度較高的汽車零部件中。

表2:AZ91、AM50、AM60鎂合金和A380鋁合金的力學(xué)性能

表3:AZ91鎂合金和A380鋁合金的蠕變性能

AZ91微觀組織由α-Mg晶粒和晶界相組成，晶界相主要由不連續(xù)分布的Mg17Al12相和富Al的α-Mg固溶體組成。室溫下，晶界Mg17Al12相可以阻礙位錯(cuò)在晶界處的運(yùn)動(dòng)，起到一定的強(qiáng)化作用；同時(shí)Al可以起到固溶強(qiáng)化的作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，一方面是由于Mg17Al12相熱穩(wěn)定性差（熔點(diǎn)為458 oC，共晶溫度為437 oC），極易粗化或軟化，失去對(duì)晶界的釘扎作用，導(dǎo)致晶界更易遷移和滑移；另一方面，高溫下Al的固溶強(qiáng)化作用消失，且隨著溫度升高，Al在鎂基體中的擴(kuò)散系數(shù)增大，促進(jìn)了高溫蠕變的發(fā)生。這些因素綜合作用降低了AZ系和AM系鎂合金的高溫力學(xué)性能。

基于壓鑄AZ和AM系鎂合金的研究結(jié)果，在保證合金具有良好鑄造性能的同時(shí)，可以從三方面著手在Mg-Al合金基礎(chǔ)上提高合金高溫性能：一是減少或避免低熔點(diǎn)相，如Mg17Al12的形成；二是促進(jìn)晶界組織的穩(wěn)定性，如引入熱穩(wěn)定性高的晶界第二相，以對(duì)晶界進(jìn)行釘扎，阻礙晶界遷移或滑移；三是提高基體中的固溶強(qiáng)化或彌散強(qiáng)化，以阻礙位錯(cuò)在基體中的運(yùn)動(dòng)。

3.2 AS、AX和AJ系鎂合金

Mg-Al系合金中加入Si、Ca、Sr等合金元素，一方面可以抑制Mg17Al12低熔點(diǎn)相的形成，另一方面可以形成熱穩(wěn)定性較好的第二相釘扎晶界，高溫下同時(shí)發(fā)揮合金的細(xì)晶強(qiáng)化及第二相強(qiáng)化效果，從而有效提高合金的高溫性能。

表4為相關(guān)合金的力學(xué)性能，表5為蠕變性能。Mg-Al中加入Si得到的是Mg-Al-Si (AS)系鎂合金，典型的合金是AS21 (Mg-2Al-1Si-0.4Mn)和AS41 (Mg-4Al-1Si-0.35Mn)。AS合金由α-Mg晶粒和晶界組成，晶界相除了富Al的α-Mg和Mg17Al12相外，還有Mg2Si相零散分布。由于Al含量較低，Mg17Al12相含量降低，同時(shí)Mg2Si相熱穩(wěn)定性高（熔點(diǎn)為1085 oC），高溫下不易粗化和軟化，對(duì)晶界的釘扎作用顯著，因而AS系相比于AZ和AM系具有更好的蠕變性能。但當(dāng)溫度高于150 oC，Mg2Si相在一定應(yīng)力作用下破碎，使得合金蠕變抗力迅速降低。因此AS系合金的使用溫度不超過(guò)150 oC，一般用于汽車空冷發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱、風(fēng)扇殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)支架。

Mg-Al合金中加入Ca和Sr得到的是Mg-Al-Ca (AX)和Mg-Al-Sr (AJ)系鎂合金，典型的合金包括AXJ530 (Mg-5Al-3Ca-0.2Sr)、AJ52 (Mg-5Al-2Sr)和MRI230 (Mg-6.5Al-2Ca-1Sn-0.3Sr)等。與AS合金類似，這些合金都是由α-Mg晶粒和晶界相組成，但晶界不含低熔點(diǎn)Mg17Al12相，主要是熔點(diǎn)較高的Al2Ca、Al4Sr等。在150 oC以下，這些合金蠕變性能良好；但溫度升高到150 oC時(shí)，這些合金中又析出了Mg17Al12相，降低了蠕變抗力，因此這些合金的使用溫度一般也在150 oC以下。

表4:典型壓鑄鎂合金AS、AX、AJ和MRI系的力學(xué)性能

表5:典型壓鑄合金AS、AX、AJ和MRI系蠕變性能
*AXJ530的蠕變應(yīng)變測(cè)試條件為150 oC/83 MPa/100h
#MRI153的蠕變應(yīng)變測(cè)試條件為150 oC/50MPa/100h

3.3 AE系鎂合金

為了進(jìn)一步提高壓鑄耐熱鎂合金的高溫力學(xué)性能，同時(shí)保留其良好的鑄造性能， FOERSTER研發(fā)了Mg-Al-RE (AE)合金。相比于之前的壓鑄耐熱鎂合金，AE系列具有更高的蠕變抗力，典型的合金是AE42 (Mg-4Al-2RE)。BAKKE等又研發(fā)出AE44，目前AE44 (Mg-4Al-4RE)是商用的綜合性能最好的壓鑄耐熱鎂合金，主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)托架。

表6為AE44不同溫度下的力學(xué)性能，可以看出隨著溫度升高，AE44強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，伸長(zhǎng)率先升高后降低。表7為AE44的蠕變性能，可以看到150 oC和175 oC時(shí)的蠕變強(qiáng)度優(yōu)于A380鋁合金。200 oC時(shí)AE44蠕變速率受應(yīng)力影響較大，隨著應(yīng)力從60 MPa增加到70 MPa，蠕變速率提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)溫度升高到250 oC時(shí)，即使應(yīng)力較低，合金的蠕變性能也迅速惡化，因此AE44合金的使用溫度一般低于175 oC。

表6:壓鑄鎂合金AE44拉伸性能

表7:壓鑄鎂合金AE44蠕變性能

AE44主要由α-Mg晶粒和晶界相組成，晶界相主要是片層狀A(yù)l11RE3和少量塊狀A(yù)l2RE相。AE44相比于其他Mg-Al合金，在150 ~ 175 oC的溫度區(qū)間內(nèi)具有更好的蠕變性能，目前認(rèn)為這是歸因于該溫度區(qū)間內(nèi)Al11RE3和Al2RE相良好的熱穩(wěn)定性。但同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，AE44強(qiáng)度下降很快，200 oC以上蠕變性能也隨應(yīng)力增加而迅速惡化，但目前對(duì)性能惡化的解釋尚存在爭(zhēng)議。

圖1:AE44合金微觀組織

3.4 Mg-RE系鎂合金

上世紀(jì)三十年代首次發(fā)現(xiàn)稀土元素（Ce）可以提高鎂合金的強(qiáng)度，隨后在傳統(tǒng)壓鑄Mg-Al系的基礎(chǔ)上發(fā)展了Mg-Al-RE，但到本世紀(jì)初，綜合性能最好的AE42合金的服役溫度仍低于150 oC。為了能在耐熱性能方面有所突破，研究者們開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的體系。但壓鑄鎂合金開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于要求合金體系具有良好的鑄造性能，且合金在鑄態(tài)不經(jīng)熱處理時(shí)要獲得更好的高溫力學(xué)性能。

Moreno等在Mg-Al系外開(kāi)發(fā)出了Mg-RE系鎂合金，并成功制備MEZ (Mg-2.5RE-0.35Z)等合金。相比于AE42，MEZ在更高溫度、更高應(yīng)力 (175 oC, 80~100 MPa)條件下具有更高的蠕變抗力。隨后在對(duì)MEZ合金的研究中發(fā)現(xiàn)，不同的RE元素（如La, Ce, Nd）由于固溶度不同，對(duì)合金蠕變性能的影響也不同。Nd元素由于固溶度較大，在蠕變過(guò)程中形成了彌散的動(dòng)態(tài)析出相而提升了合金的蠕變性能。基于此，在MEZ的基礎(chǔ)上通過(guò)添加一定的Nd得到了AM-HP2+(Mg-La-Ce-Nd-Zn)合金，該合金在150 ~200 oC具有更優(yōu)的蠕變性能，但是，這兩種合金的塑性和強(qiáng)度較低，因此并未得到應(yīng)用。

隨著AE系合金性能提升瓶頸的出現(xiàn)以及相關(guān)基礎(chǔ)理論的完善， Mg-RE體系的壓鑄耐熱鎂合金再次被研究者們關(guān)注。MURAYAMA的研究表明，HCP結(jié)構(gòu)的鎂合金比FCC結(jié)構(gòu)的鋁合金的抗蠕變潛力更高，但實(shí)際發(fā)現(xiàn)鎂合金的抗蠕變性能普遍要比鋁合金差，因此認(rèn)為Mg-Al系鎂合金抗蠕變性能差是由合金中的Al元素導(dǎo)致的。其次，Mg-Al系室溫或高溫下難以避免的出現(xiàn)Mg17Al12低熔點(diǎn)相也抑制了Mg-Al合金的服役溫度。此外，溫度升高時(shí)Al在Mg中擴(kuò)散速率快，大大促進(jìn)了蠕變的發(fā)生，壓鑄Mg-Al合金的發(fā)展遇到了瓶頸，難以突破175 oC。

后來(lái)，GAVRAS[56]成功制備了一系列Mg-La系鎂合金，在Mg-La的基礎(chǔ)上分別添加Nd、Y和Gd，結(jié)果表明，含Y和Gd更有利于蠕變性能的提升。HUA[4]在Mg-La系的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加Y以提高塑性，Zn以提高鑄造性能而得到了ZLaW423 (Mg-4Zn-2.3La-2.7Y)壓鑄合金，該合金通過(guò)晶界相的連通而分散了Mg基體的受力，使合金獲得了較高的壓縮性能。由于壓鑄鎂合金沒(méi)有明顯的織構(gòu)，因此認(rèn)為壓縮與拉伸狀態(tài)下合金的屈服強(qiáng)度沒(méi)有明顯的區(qū)別。Bai等成功制備了含網(wǎng)狀LPSO相的Mg-Y-Zn合金，相比于AE44，室溫下具有更優(yōu)異的性能，200 oC高溫拉伸性能與蠕變性能尚待報(bào)道。

表8是典型壓鑄Mg-RE合金的高溫拉伸(ZLaW423為壓縮)性能與蠕變性能。可以看出，典型的AM-HP2+合金屈服強(qiáng)度隨溫度變化小，約為7%，說(shuō)明了該合金組織穩(wěn)定性好，同時(shí)相比于AE44具有更高的蠕變抗力。Mg-0.48La-1.18Y合金的蠕變性能與AM-HP2+相當(dāng)，177 oC時(shí)的強(qiáng)度更高。ZLaW423合金壓縮屈服強(qiáng)度較高，但由于缺少拉伸與蠕變性能，因此還需要進(jìn)一步的探究才能進(jìn)行更全面的對(duì)比。但典型AM-HP2+合金室溫強(qiáng)度及各溫度下伸長(zhǎng)率相比于AE44明顯偏低，因此基于Mg-RE系的研究需要在保持其良好蠕變性能的同時(shí)提升其強(qiáng)度及塑性。

表8 :典型Mg-RE壓鑄鎂合金力學(xué)性能
*ZLaW423給出的為壓縮性能

表9:典型壓鑄Mg-RE合金蠕變性能

通過(guò)對(duì)AM-HP2+壓鑄鎂合金微觀組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，晶界相主要是離異的Mg12RE相，該相熱穩(wěn)定性高，在高溫下能夠很好的釘扎晶界，提高晶界的穩(wěn)定性。同時(shí)，RE元素的固溶強(qiáng)化和慢的擴(kuò)散速率，也有效提升了高溫組織穩(wěn)定性。

3.5 壓鑄耐熱鎂合金發(fā)展趨勢(shì)分析

壓鑄耐熱鎂合金經(jīng)歷了從Mg-Al系到Mg-RE系的發(fā)展。Mg-Al系合金具有良好的鑄造性能和室溫力學(xué)性能，以AZ和AM系為主的合金一直是商用壓鑄鎂合金的首選，因此壓鑄耐熱鎂合金的發(fā)展也是以Mg-Al系為基礎(chǔ)。AZ和AM系列合金室溫下的主要強(qiáng)化相Mg17Al12在120 oC以上會(huì)粗化軟化，因此AZ及AM系列合金的使用溫度低于120 oC。基于Mg-Al系壓鑄耐熱鎂合金的發(fā)展思路是減少或抑制低熔點(diǎn)相Mg17Al12的形成，同時(shí)生成其他熱穩(wěn)定性良好的晶界第二相以釘扎晶界。經(jīng)過(guò)大量的研究，Mg-Al系中添加Si、Ca、Sr元素可以抑制Mg17Al12的生成，同時(shí)形成熱穩(wěn)定性良好的Mg2Si、Al2Ca、Al4Sr等晶界相釘扎晶界，提升合金的使用溫度。但當(dāng)溫度高于150 oC時(shí)，這些合金系中再次析出Mg17Al12而惡化其高溫力學(xué)性能。Mg-Al中添加RE元素使得壓鑄耐熱鎂合金的發(fā)展取得一定的突破，典型合金AE44中生成熱穩(wěn)定性良好的Al11RE3，一方面消耗Al以抑制Mg17Al12的生成，另一方面Al11RE3具有良好的熱穩(wěn)定性，使得AE44合金的服役溫度達(dá)到175 oC。當(dāng)溫度高于175 oC時(shí)，其拉伸性能和蠕變性能惡化，目前原因尚存在爭(zhēng)議。Mg-Al系由于Al的存在而容易生成低熔點(diǎn)相，同時(shí)Al在Mg中快的擴(kuò)散速率加快蠕變的發(fā)生，因此壓鑄耐熱鎂合金的發(fā)展在Mg-RE系內(nèi)進(jìn)行了嘗試。目前嘗試開(kāi)發(fā)的Mg-RE合金均不含低熔點(diǎn)相，具有良好的組織穩(wěn)定性，因而蠕變性能有所提升，但強(qiáng)度和塑性等綜合性能尚不能與AE44抗衡。

圖2為典型壓鑄鎂合金及A380鋁合金的抗拉強(qiáng)度及蠕變性能，表10為典型壓鑄耐熱鎂合金的特點(diǎn)及不足。值得注意的是，Mg-RE系壓鑄耐熱鎂合金具有良好的蠕變性能，同時(shí)其拉伸性能隨溫度變化小，同時(shí)具有良好的組織穩(wěn)定性，因此Mg-RE系壓鑄耐熱鎂合金具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/a>

圖2:典型壓鑄鎂合金及A380鋁合金的抗拉強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度

表10:典型壓鑄耐熱鎂合金特點(diǎn)及問(wèn)題

4、結(jié)語(yǔ)

Mg-Al系合金經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，至今性能最好的AE44使用溫度仍不超過(guò)175 oC。Mg-Al系壓鑄耐熱鎂合金性能提升遇到瓶頸，認(rèn)為Al是影響其性能提升的主要因素，因此不含Al元素的Mg合金具有較大的發(fā)展?jié)摿Α：线m的Mg-RE系適于壓鑄，因而成為新型的壓鑄鎂合金體系。Mg-RE合金不含典型的低熔點(diǎn)相Mg17Al12，具有良好的組織穩(wěn)定性，易得到高的蠕變抗力。RE中的Y等元素能夠降低位錯(cuò)的激活能，從而有效提升合金室溫及高溫塑性，解決Mg-RE系合金塑性問(wèn)題。壓鑄Mg-RE系三元合金中可以形成性能良好的第二相，如網(wǎng)狀LPSO相，一方面該相熱穩(wěn)定性良好，能在高溫下穩(wěn)定的能釘扎晶界；另一方面，LPSO具有良好的強(qiáng)度和韌性，在晶界形成強(qiáng)韌性良好的骨架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)類似于復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理，從而很大程度提升合金的高溫性能。因此在壓鑄Mg-RE合金的研發(fā)過(guò)程中，具有良好鑄造性能、含網(wǎng)狀LPSO相的Mg-Y體系的合金有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/c+a>

作者：
郁鑫 白揚(yáng) 葉兵
上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心及金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

王國(guó)紅
山東雅博科技股份有限公司

本文來(lái)自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第2期