提高镁合金高温力学性能

1《AZ91镁合金的抗高温蠕变性能和腐蚀性能的研究近况》镁合金的高温抗蠕变性较差限制了其应用。镁合金在高温下，变形方式主要是位错的运动和晶界的滑移，因此，提高镁合金的高温抗蠕变性能就要限制位错运动和阻止晶界的滑移。具体的措施就是强化基体和晶界以及开发镁基复合材料，前者是通过微合金化增加固溶强化、析出强化和细晶强化等的强化效果，或形成高熔点的化合物减少或阻碍Mgi7Ali2相的形成；而后者则是通过添加增强相来提高镁合金的抗高温蠕变性能。Ca主要是溶于中提高相的熔点，提高镁合金的高温性能；担当加入量过大时，金合的晶界处会出现Al2Ca相从而恶化了合金的强拉强度和塑性。适量的加入Ca可以细化晶粒，提高合金的室温和高温拉伸性能，并且，随着Ca加入量的增加，其细化效果越明显，但合金的热烈倾向增加。稀土在铝镁合金中与Al形成高熔点的Al-稀土中间化合物，正是这种化合物的形成提高了镁合金的性能。镁合金自身存在诸如高温强度差、低的弹性模量、耐腐蚀性能差等缺点，因此人们把目光投向综合性能相对较高的镁合金复合材料研究上。《AZ91镁合金抗高温蠕变性能的研究和发展》耐热性主要是指材料在高温和外载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。镁合金的高温蠕变变形机制不仅包括滑移，而且晶界参与形变，且形变显著，有时可以高达40%〜50%。众所周知，在高应力作用下，六方晶格的纯镁甚至在室温下即易于发生蠕变变形。与铝合金相比，镁合金更易于发生晶界滑移。AZ91镁合金高温蠕变抗力低的原因在于：首先，合金中连续析出形成的时效析出相为Mgi7Ali2,90%以上的Mgi7Ali2通常呈板条状而且平行于Mg基体的（0001）基面析出，且与基体之间无共格关系，不能为位错运动提供大的阻力，时效硬化效果不明显；另外，Mgi7Ali2的熔点低，仅为437c，在不高的温度下即为一软质相，同时由于Mgi7Ali2与基体之间非共格，界面能高，因此在高温下易长大粗化，故而随温度升高，Mgi7Ali2极易软化、粗化，不能有效钉扎晶界。此外，近来的研究结果证实，高温蠕变过程中过饱和Mg基体中Mgi7Ali2在晶界处的不连续析出是压铸AZ91镁合金高温蠕变抗力差的一个主要原因。晶界处不连续析出的Mgi7Ali2呈薄片状并与晶界几乎成直角，不仅为晶界滑移提供了更多的滑移面，同时为临近晶粒的变形提供了额外的自由度，因而使晶界滑移和晶界迁移更易进行，不利于合金的抗蠕变性能。因此，从合金体结构的强度观点出发，AZ91镁合金的抗高温蠕变性能设计应从限制位错运动和强化晶界入手，这意味着可以通过以下一种或多种手段来实现提高镁合金热强性和高温蠕变抗力的目的。（1）添加RE（Ce、Nd、Y）、Sn、Si、Ca、Ag、Ba、Sb等元素，形成稳定性较高的弥散相粒子，降低合金元素在镁基体中的扩散速率，阻止晶界迁移i，从而提高合金的热稳定性和蠕变抗力；（2）增大晶粒尺寸，以增大扩散距离，使晶界扩散作用降低，改善晶界结构状态和组织形态；（3）减少或消除低熔点和高温下容易粗化的B相Mgi7Ali2,因为Mgi7Ali2在高温下容易软化和粗化，不但起不到强化效果，反而会降低合金的抗蠕变性能。目前人们主要通过在合金中引入热稳定性高的第二相，如添加稀土和碱土金属阻碍B相生成并形成热稳定的金属间化合物来提高合金的热稳定性和抗蠕变性。其中，（1）（2）均可以通过适当的合金化或微合金化实现。而（3）可以通过加入能形成稳定的金属间化合物的合金元素或直接引入弥散强化的第二相来实现。《高温铸造镁合金的研究与应用》镁合金的室温和高温机械性能有三种强化途径：固溶强化、析出强化、弥散强化。研究表明，影响镁合金机械性能的合金元素主要可以分为三类：①同时增大强度和韧性的元素。其效果顺序如下：Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th（强度增大）；②稍微增大塑韧性的元素：Cd、Tl、Li；③提高强度效果明显，但使塑韧性降低的元素：Sn、Pb、Bi、Sb。提高镁合金蠕变性能的主要途径为：①在晶界析出细而弥散的析出相，阻止晶界滑移；②增大晶粒尺寸，以增大扩散距离，使晶界扩散作用降低；③通过固溶强化增大基体的弹性模量，已经发现，RE（如Ce、Nd、Y、Tb、Si、Ba、Sb等能够提高镁合金的蠕变强度，加入这些元素的镁合金具有良好的高温性能的原因还在于：形成的析出相含有大量的Mg原子，所以对于给定的合金加入量，析出相的体积分数更高；这些析出相得熔点较高，其热稳定性更高；RE、Th、Y等元素的熔点相对更高，为798〜1663c，它们在镁基体中的扩散相对更慢，而镁的常见强化元素Al、Zn的熔点则相对更低。通过固溶处理和时效处理能够最大限度地发挥析出强化效应，但是，由于压铸件不可热处理而受到限制，并且，随温度的升高，析出相要发生粗化、间距增大，最后溶于基体，弥散体的热稳定性更高，因此，近年来出现的弥散强化镁合金的机械性能可以保持到更高的温度。同时，同时由于位错的阻碍，以及再结晶和晶粒生长造成软化受到弥散体的钉扎作用而阻止，弥散强化镁合金的蠕变性更高。《合金化提高镁合金抗蠕变性能的研究进展》4.1镁合金的蠕变机理蠕变是金属在温度和应力作用下发生缓慢和持续塑性变形的现象，特别是在高温下，除随变形产生的加工硬化外，还产生在低温下或在其他变形机理中不太明显的具有高激活能的恢复、扩散、相变等过程。对于耐热镁合金，影响其蠕变强度的因素有晶体结构、晶粒大小、固溶元素、析出物、热处理等。与常温变形过程相比，蠕变在微观机制上不仅滑移系增多而且还包括晶界滑动。根据VonMises屈服准则，若多晶体材料产生塑性变形并在晶界上仍保持其完整性，则每个晶粒必须至少有5个独立的滑移系。镁合金是密排六方晶体，温度低于498K时，塑性变形仅限于通过基面｛0001｝＜1120＞滑移和锥面｛1012｝＜1011＞孪生实现，仅有3个几何滑移系和2个独立的滑移系;温度高于498K时，滑移也出现在锥面｛1011｝和柱面｛1010｝的＜1120＞方向上，滑移系增多，满足VonMises屈服准则，合金就会发生高温蠕变。此外，由于镁合金滑移系很少，残留的晶界位错将有很大的泊氏矢量，于是在晶界处的应变水平将很高，所以在高温应力作用下镁合金比铝合金更容易产生晶界滑动。4.2镁合金的抗蠕变强度化方式针对镁合金蠕变机制，镁合金的抗蠕变强化应以限制位错运动、阻止晶界滑移动为原则，到目前为止提高镁合金蠕变抗力的途径主要有固溶强化、析出强化、弥散强化和晶界强化。4.2.1固溶强化固溶强化是指合金中加入溶质元素以提高其均匀化温度和弹性模量，减慢扩散和自扩散过程，降低位错攀移的速率，从而提高合金的高温蠕变性能。固溶强化是溶质原子和位错之间交互作用的结果，就其性质而言，可分为弹性的、化学的、电性的和几何的等几种类型。溶质原子可以偏聚到位错周围形成各种气团，也可以均匀不规则地分布在基体中。因此，向镁合金中添加固溶度较高的合金元素，提高其时效硬化能力，可以明显提高合金的抗蠕变能力。但在高温时，原子扩散加快，同时位错成为溶质原子的扩散通道，溶质原子不能有效地钉扎位错。因此，固溶强化对提高镁合金的蠕变抗力有限。析出时效强化是指在时效过程中合金元素的固溶度随温度降低而形成弥散分布的析出相，析出相与位错之间的交互作用导致合金的屈服强度提高。由于镁原子较大，通常形成与镁基体非共格复杂析出相，其晶面能很高，在高温下易粗化，难以对晶界起有效的钉扎作用。因此，提高镁合金抗蠕变性的关键是用恰当的合金元素改善析出相的晶体结构以降低它与镁基体的点阵常数错配度，改善析出相的析出方式和形貌，并提高析出相的热稳定性以降低其扩散性。这样就可以使析出强化机制在所需的服役条件下发挥作用，从而提高镁合金的蠕变性能。4.2.3弥散强化弥散强化受温度变化的影响远小于析出强化。弥散相熔点高、热稳定性好，在基体中溶解度很小并弥散分布在晶界、晶内，可有效控制晶粒变形、晶界的滑移和位错的运动，因此可通过在合金中生成弥散强化相来提高合金在不同温度区间的适应能力和合金的各项力学性能，尤其是镁合金的蠕变抗力。4.2.4晶界强化晶粒大小对金属材料高温性能的影响很大，通过控制合金的制备方式、凝固过程和加入适当的合金元素，可以控制镁合金的晶粒度。一般而言，在低温高应力下的蠕变由于主要受晶内位错攀移的影响，晶界会成为位错攀移的障碍，所以较小的晶粒尺寸对镁合金抗蠕变有利；但在等强温度以上，晶界的滑动加剧，适当地减少晶界的数量，增大晶粒的尺寸，则可以提高镁合金的抗蠕变性能。但过大的晶粒在铸造过程中易形成微孔和微观缺陷，同时晶界也可能成为材料的弱化部分；过长晶界的晶面结合力薄弱，有利于空穴的产生，对高温性能有害，因此必须避免过大晶粒对合金综合性能造成不良的影响。晶界强化主要是通过净化和微合金化方法来实现。净化的目的是降低有害杂质元素在晶界的偏聚，微合金化是通过微合金元素在晶界的偏析来改善合金的热强度性能。其主要措施有：①在晶界处形成大量细小析出硬化相，阻止晶界滑动；②增大晶粒尺寸以增大原子扩散距离，降低晶界扩散作用；③加入富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界处的晶格空位，改善晶界附近的组织形态。以上4种强化方式，任何单一方式对提高镁合金的抗蠕变性能都是有限的，在实际强化过程中往往需要综合运用固溶强化、弥散强化、析出强化和晶界强