准晶相增强高性能镁合金的研究进展

1、准晶相增强高性能镁合金的研究进展/袁武华等#91#准晶相增强高性能镁合金的研究进展袁武华,张晨晨,陈吉华(湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082)摘要 综述了准晶相增强镁合金的制备方法,以及准晶相增强Mg2Zn2Y、Mg2Zn2Al的微观组织和性能特点,介绍了准晶相增强镁合金在国内外的研究及应用进展状况。已有的研究结果表明,镁合金中准晶相的存在对提高合金的室温和高温强度、改善合金塑性有明显作用。关键词 准晶 镁合金 增强颗粒ResearchProgressinQuasicrystal2reinforcedHighPerformanceMagnesiumAlloysYUANWuhua,ZH

2、ANGChenchen,CHENJihua(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082)Abstract Thefabricationmethods,microstructureandmechanicalpropertiesofthequasicrystalreinforcedKeywords quasicrystal,magnesiumalloys,reinforcedparticle0 前言准晶具有高硬度、耐蚀、耐热等特点1,特别适合于作韧性基体材料中的强化相。镁合金中准晶的存在可制备出准晶相

3、增强高性能镁合金及镁基复合材料2,近年已经在一些三元、四元或多元系镁合金中发现了准晶相的存在。本文将对近年来准晶相增强镁合金的制备方法、组织与性能特点及应用等进行综述。晶。采用急冷甩带的方法获得的Mg2Al2Y合金含有成分为Mg42Zn50Y8的准晶相,在快速凝固Mg2Al2Zn合金中同样有二十面准晶相Mg32Zn32Al17存在11。而在快速凝固熔体快淬制备的Mg2Al2Pb合金系中也有FK型二十面体准晶分布于细小等轴胞状A2Mg晶界处1113。由于快速凝固制备的试样尺寸一般较小,并且只能制备粉状、丝状及薄带状亚稳态准晶材料,限制了快速凝固技术在将来实际生产中的应用。1 准晶相增强高性能镁合

4、金的制备方法准晶相增强高性能镁合金的制备方法可分为两类:一类是通过常规铸造或快速凝固、机械合金化等非平衡工艺在镁合金内部生成一定的准晶相以提高合金性能的内生法;另一类则是在镁合金基体中加入准晶颗粒,并通过一定的工艺使准晶颗粒弥散分布在镁合金基体中从而达到强化目的的外加法。机械合金化是通过钢球的撞击使合金粉末间进行反复冷焊和断裂,形成层状微结构,继而形成超细复合结构,最后通过固态扩散反应等形成均匀的准晶合金。目前采用机械合金化法已在Mg2Al2X(X=Cu、Zn、Pd、Ag、Pt)等合金系中获得了准晶14,15。如Mg2Al2Zn准晶粉末在超高压下固结成型形成的固态合金中含有FK型二十面体准晶1

5、6。1.1 内生法稳定准晶具有热力学稳定的特点,只要控制好合金成分,即可采用一些常规的制备方法获得稳定准晶。目前,含准晶的镁合金大部分都是通过铸造方法获得,如采用铸造法可以获得含Mg30Zn60Y10和Mg3YZn6五次对称二十面稳定准晶37的Mg2Zn2Y合金,而半连续水冷铸造Mg2Zn2Y2Zr高强镁合金中也含有二十面体准晶相810。这种常规铸造方法降低了获得准晶的成本,使准晶增强镁合金的生产和广泛应用成为可能。但是,普通凝固的方式容易产生裂纹、疏松等缺陷。1.2 外加法外加法一般是在镁合金基体中加入准晶颗粒,并通过一定的工艺使准晶颗粒弥散分布在镁合金基体中从而达到强化的目快速凝固法是最早

6、用于制备准晶的方法,目前用该方法已在一些Mg2Al2X(X=Cu、Zn、Y、Pd、Ag、Pt)合金系中获得了准#92#材料导报纳米准晶析出。2007年2月第21卷第2期2 准晶相增强镁合金的组织与性能特点2.1 Mg2Zn2Y系合金Mg2Zn2RE三元系的镁合金中含有稀土元素,准晶相既可以通过快速凝固等非平衡工艺生成,也可以通过常规铸造工艺生成。这种三元镁合金系中生成的准晶相一般为三维二十面体稳定准晶相Mg3YZn6,它既可以在Mg2Zn2Y三元相图的富镁侧生成,也可以在富锌侧生成19,如图1所示。表2 准晶相增强型镁合金的力学性能合金AZ31AZ61AZ91常规熔炼的Mg2Zn2Y合金组织分

7、布比较均匀,准晶相在持续加热条件下可以稳定存在,只有在高温时才发生氧化8,9。含准晶相的Mg2Zn2Y镁合金,在低Zn和Y含量下,准晶相均匀分布于镁合金基体中,微观组织为完整的五瓣花瓣和没有完全长大的五边形。随着Y含量的增加,准晶体数量增加,准晶晶粒度、圆整度及分布均匀化程度都得到了提高。而快速凝固Mg2Zn2Y含准晶相镁合金中I2phase与A2Mg基体共存,并且I2phase均匀分布于A2Mg晶界处11。通过控制合金的成分配比,可以得到不同的准晶相,如表1所示。表1 Mg2Zn2Y不同成分配比时的合金相编号MgZnY相组成17426(A2Mg),Mg7Zn37523(A2Mg),I2pha

8、se7.8918032523.5常规铸造的准晶增强高性能Mg2Zn2Y系镁合金晶粒一般准晶相增强Mg2Zn2Y系合金的高强度主要来自于高体积分数准晶颗粒(约为9%)的强化作用。准晶颗粒的低界面能阻止了准晶颗粒的粗化,形成稳定的准晶2镁基体界面,从而阻止了高温变形过程中基体晶粒的长大。Mg2Zn2Y系合金的高延伸率与稳定的准晶2镁基体界面有关,合金具有很大的变形量,而不在界面处形成孔洞。另外,准晶颗粒与A2Mg基体的界面一致性,使得合金组织上的孔洞并不影响合金的性能。这种合金还具有一定的塑性,这与弥散分布的准晶颗粒的钉扎强化作用有关2332。2.2 Mg2Zn2Al系合金含准晶相的Mg2Zn2A

9、l系三元合金既可通过快速凝固、熔体快淬等非平衡工艺制备,也可在常规的缓冷凝固中通过包晶反应生成。Mg2Zn2Al系合金的准晶相一般均为FK型二十面准晶。金属型铸造的ZA84镁合金准晶相的成分约为Mg9?22Zn4?1Al3?1,而常规冷室铸造的ZA85镁合金中准晶相的成分约为Mg38Zn43Al19。这种准晶晶界相具有与镁基大块准晶相当的力学性能,并且有着相当高的硬度和刚度33。采用快速凝固方法制备的Mg2Zn2Al合金,其准晶相为稳定的FK型Mg32Zn32Al17二十面准晶。该合金组织均匀,晶粒细小,室温时具有较高的屈服强度及延伸率6,7。温度持续升高时,Mg28Zn24Al合金含中的准晶

10、相可以维持在一稳定范围内,当温度达到325e时,准晶相体积分数开始下降,持续加热120h后达到稳定。在该过程中,准晶相具有良好的热稳定性,没有明显的相变。而对于常规铸造方法获得的含Mg44Zn41Al15二十面体准晶相的Mg2Zn2Al三元合金,当温度由293K上升到613K时,准晶相的晶格半径增大,镁合金的晶粒也变得粗大,合准晶相增强高性能镁合金的研究进展/袁武华等金的综合力学性能下降7。近年来,以Zn为主要合金元素的耐热ZA系列镁合金(ZA84、ZA85)中均存在二十面体准晶相。这种准晶相具有相当高的硬度和刚度,以及良好的热稳定性,使镁合金表现出较高的硬度、刚度,以及良好的热稳定性。现有M

11、g2Zn2Al镁合金的常温强度还有待于进一步提高,除了加入Ca、Zr等合金元素细化晶粒、提高合金强度之外,一般在Mg2Zn2Al镁合金中添加稀土元素可以显著细化晶粒、提高镁合金力学性能22,34。#93#230:1109LuoZP,etal.MaterLett,1994,21(1):85LuoZhiping,ZhangShaoqing,SongDeyu.ActaMetallSinica,1994,17(2):133YiS,etal.MaterSciEng,2001,A300:312KoshikawaN,YodaS,EdagawaK,etal.JapnJApplPhys,2001,40:6328

12、TangYL,ZhaoDS,LuoZP,etal.ScrMetallMater,1993,29(7):955MatsumuroA,FujitaJ,KatoK.JMaterSciLett,1997,16:2032镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,它具有密度小、比强度和比刚度高,阻尼性、导热性、切削加工性、铸造性能好,电磁屏蔽能力强,尺寸稳定,资源丰富,容易回收等一系列优点。但由于镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧,生产难度很大,且耐蚀性较差,高温强度、蠕变性能较低,使其在工业上的应用受到极大限制。而准晶相增强镁合金还具有强度高、抗震性能好,热稳定性及耐磨、耐蚀性好等优点1,它的出现使得镁

13、合金进一步向着高强度、耐热、阻燃、耐蚀、抗变形等方向发展,并在交通、车辆、3C产品中有着更为广阔的应用前景。在汽车工业领域,镁合金零件带给汽车的好处是显而易见的。准晶增强型镁合金铸件良好的耐磨耐蚀性可以延长零件的使用寿命,在一定程度上降低了生产成本,从而带来良好的社会效益和经济效益2。3C(计算机类、通讯类、消费类电子产品)是当今全球发展最为迅速的产业。传统镁合金正越来越多地被用于制作笔记本电脑及手机外壳,而准晶增强镁合金比传统镁合金具有更高的延展性及耐磨、耐蚀性,使用这种镁合金将进一步提高产品的外观及使用性能。然而,目前准晶的实际应用仅限于表面涂层和增强结构材料方面,其他领域的应用并不广泛。

14、在镁合金研究热潮中,如果能利用准晶的优异性能,开发新工艺、新技术,进一步将我国镁合金的资源优势转化为产业优势,一方面为汽车、摩托车、航空航天行业提供更为优质、低成本、环保节能的镁合金材料和制品;另一方面也可以为高强韧性镁基材料的研究开发找到一条新途径,进一步推动我国航空航天、军工、交通工具、机械体育等事业的发展2,35,36。参考文献1肖华星.常州工学院学报,2004,17(4):12王渠东,丁文江.世界科技研究与进展,2004,126(3):393史菲,郭学锋,张忠明.中国有色金属学报,2004,1:1124卢庆亮,闵光辉,王常春,等.山东大学学报,2005,2:105CheungLY,Ch

15、anKC,ZhuYH.JMaterProcTechn,2002,123:2456BourgeoisL,MendisCL,MuddleBC,etal.PhilosophicalMagazineLett,2001,81(10):7097BanerjeeR,SavaliaRT,PrakashD,etal.ScrMetallMa2ter,1995,32(10):16078LuoZP,SongDY,ZhangSQ.JAlloysComp,1995,ter,1990,2:615316李志强,徐洲,李小平,等.材料导报,2002,16(2):917陈振华,王云,蒋向阳,等.中南矿冶学院学报,1990,22(

16、1):4618陈振华,黄培云.中国有色金属学报,1991,1(1):5419郑明毅,吴昆,乔晓光,等.材料科学与工艺,2004,12(16):66620KimYule,BaeDonghyun.MaterTrans,2004,45(12):329821TangYL,ZhaoDS,LuoZP,etal.JAlloysComp,1994,204(122):1722LiQiang,etal.MaterLett,2005,59(19220):254923BaeDH,LeeMH,KimKT,etal.JAlloysComp,2002,342(122):44952425SinghAlok,NakamuraM

17、,WatanabeM,etal.ScrMater,2003,49(5):41726SinghAlok,WatanabeM,KatoA,etal.MaterSciEngA,2004,385(122):38227Subramaniam,Anandh,RanganathanS.MaterResSocSympProc,2001,643:44128KimIJ,BaeDH,KimDH.MaterSciEngA,2003,359(122):31329Taniuchi,Hajime,Watanabe,etal.MaterSciForum,2003,4192422(1):25530LimHK,LeeJY,etal.JOM,2004,56(11):19031SinghAlok,WatanabeM,KatoA,etal.ScrMater,2004,51(