壓鑄耐熱鎂合金的研究現狀和發展趨勢

郁鑫等發表于2022/6/8 10:45:09 耐熱鎂合金壓鑄強化機制

摘要：壓鑄耐熱鎂合金的發展對促進汽車輕量化進程具有重要意義。分析了壓鑄鎂合金的高溫強化機制和塑性變形機制，并結合壓鑄耐熱鎂合金的特點探討了其提升強度及塑性的有效方式。總結了壓鑄耐熱鎂合金的研究進展，從合金開發、高溫性能、微觀組織、失效原因等角度進行了分析。此外，結合壓鑄耐熱鎂合金對鑄造性能和高溫性能的要求，討論了其發展前景。

近年來，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構優化設計、輕量化材料的應用和先進制造工藝等。鎂合金作為最輕的金屬結構材料，兼具高比強度/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用最廣的工藝，相比于擠壓、軋制等方式，更適合一體化生產表面精度高、形狀復雜的薄壁件；同時相比于重力鑄造，壓鑄工藝生產效率更高，經濟效益更好，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程中具有廣闊的應用前景。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的次受力結構件上；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。對于服役溫度約200 oC的發動機、傳動部件等，目前還是以鋼和鋁合金為主，尚沒有壓鑄耐熱鎂合金滿足服役要求。為了進一步推進汽車輕量化進程，加快壓鑄鎂合金在發動機缸體、變速箱等高溫部件中的應用，需要開發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化機制和塑性變形機制著手，探討壓鑄鎂合金提升高溫強度及塑性的有效方式。同時結合近年來的研究工作，總結壓鑄耐熱鎂合金的研究進展，探討其發展方向，為壓鑄耐熱鎂合金的后續研發提供一定的參考。

1、壓鑄耐熱鎂合金

近年來耐熱鎂合金的發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的彌散強化作用，其高溫強度超過了汽車用耐熱鋁合金。CHEN等研究的砂型鑄造WG103合金經過T6峰值時效處理后，其室溫和250 oC時的抗拉強度分別為341 MPa和307 MPa，伸長率分別為2.5%和9.6%。JAFARI NODOOSHAN等研究的WG123-T6合金在250 oC時抗拉強度為320 MPa，伸長率為8%。LU等在Mg-Gd-Y-Zr體系中加入一定量的Zn，經金屬型鑄造并經T6熱處理的WGZ1152鎂合金在200 oC時的抗拉強度為345 MPa，300 oC時也能保持在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性能，同時以商用鋁合金A380作對比，可以看出重力鑄造Mg-RE系合金高溫力學性能優于A380鋁合金。

表1:典型重力鑄造鎂合金的力學性能
注：S為砂型鑄造；PM為金屬型鑄造；D為高壓鑄造；T6為經過固溶處理后再進行人工時效的狀態；F為鑄態

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，以確保獲得高質量的鑄件；另一方面，在壓鑄過程中，熔融金屬液高速填充、快速冷卻，型腔中的氣體來不及排出，使壓鑄件內部存在氣孔，高溫時氣孔內的氣體膨脹會使壓鑄件表面鼓泡，因此無法熱處理]。

2、高溫強化機制和塑性變形機制

2.1 高溫強化機制

鎂合金常溫強化機制涉及固溶強化、細晶強化和第二相強化，其中細晶強化和第二相強化占主導作用[15]。高溫強化機制研究尚不系統，但主流的方式是固溶強化和第二相強化。對于晶粒細小的壓鑄鎂合金，高溫強化的一個主要手段是引入熱穩定性良好的第二相釘扎晶界，以此同時實現細晶強化和第二相強化作用，同時配合固溶強化以提升合金性能。

壓鑄鎂合金對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形成無序固溶體，與位錯呈彈性交互作用，阻礙位錯運動，起到一定的強化作用。當溫度升高時，Al的固溶強化作用基本可以忽略。此外，近年來高性能壓鑄Mg-RE系的開發使得RE元素的固溶強化引起了廣泛的關注。研究者認為，RE元素尤其是Y與Gd在室溫和高溫下的固溶強化作用遠優于Al，是Mg-RE合金耐熱性能好的一個主要原因。RE元素的固溶強化作用可能涉及到元素的短程有序分布 (SRO)、動態應變時效等，尚需進一步探究。

壓鑄合金易在高溫下產生“鼓泡”，因此無法通過熱處理去實現其彌散強化。壓鑄鎂合金中的第二相強化主要是初生相對晶界的釘扎。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對一系列Mg-RE合金組織及性能進行研究，發現在晶界處形成LPSO相的壓鑄合金，其高溫組織穩定性和高溫力學性能都明顯優于含有其他晶界相的合金。BAI等研發的一種Mg-Y-Zn合金，在晶界處形成網狀LPSO相，其室溫性能遠優于AE44鎂合金。因此致密的網狀LPSO相形成對晶界的釘扎將是新型壓鑄耐熱鎂合金高溫強化的一個有效機制。

2.2 塑性變形機制

室溫下，只有當外應力大于材料的屈服應力時才會引起塑性變形。室溫塑性變形機制包含位錯滑移、孿生和扭折，其中位錯滑移是大部分金屬及合金塑性變形的主要機制。在密排六方(HCP)結構的金屬中，連續塑性變形要求同時開動和位錯，其中位錯可以是基面位錯、棱柱面位錯或錐面位錯，但位錯僅存在于錐面上，因此真正影響HCP金屬塑性的因素是位錯的運動。在純鎂中，與塑性變形有關的位錯的運動包括滑移和交滑移。WU通過計算表明，錐面Ⅱ上的位錯相比于錐面Ⅰ上的位錯具有更低的能量。在低應力和室溫下，錐面Ⅰ上的位錯極易交滑移到錐面Ⅱ上，但錐面Ⅱ上的位錯不能運動到錐面Ⅰ上，因此室溫下位錯的滑移主要在錐面Ⅱ上進行。但錐面Ⅱ上的位錯處于亞穩態，極易轉變成能量更低的不可動位錯，因而導致了純鎂室溫塑性差。除了位錯滑移外，孿生也是鎂合金中常見的塑性變形機制。孿生一般發生在低溫、高應變速率下，其對塑性變形的貢獻小于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制，但對塑性變形貢獻遠小于滑移和孿生，如在含有LPSO相的Mg-Y-Zn合金中尤其常見，它一定程度上協調鎂合金的塑性變形。