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神奇的稀土鎂合金

2019-12-06 14:05 ?瀏覽:

稀土元素是元素周期表ⅢB族中的鈧、釓、鑭系等17元素的總稱,常用R或RE表示。通常把鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu稱為輕稀土或鈰組稀土,釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tu、鐿Tb、镥Lu、釔Y稱為重稀土或釔稀土。稀土金屬的化學活性很強,當和氧作用時生成穩定性很高的R2O3型氧化物,中國稀土資源極其豐富,儲量大、品種全、有價值元素含量高、分布廣,按氧化物計算的工業儲量為國外總儲量的2.2倍。

  稀土元素的性質極其相近,在鎂中的固溶度較大,且固溶度隨溫度的降低而急劇減小,在200℃時的僅為最大固溶度的1/10。除鈧以外的其他稀土元素與鎂在507℃~617℃內均存在共晶反應。富鎂端共晶化合物類型隨稀土素原子序數變化而改變。稀土在鎂中的固溶度隨其原子半徑的增大而降低。Mg-RE合金晶界上網狀分布的低熔點共晶化合物可以抑制顯微疏松的形成,因而合金有很好的流動性,良好的可鑄造性能,鑄態合金的組織由等軸α-Mg固溶體晶粒和晶界網狀化合物組成。時效時從α-Mg中析出細小沉淀相,有相當大的強化作用,同時晶界上的網狀化合物阻礙晶界移動,因而Mg-RE合金有高的抗蠕變強度,成為一群有特色的高溫鎂合金。

  Mg-RE合金有較大的時效強化作用,因為時效時從α-Mg過飽和固溶體中沉淀與α-Mg固溶體共格的GP區與β""相及β"相,以Mg-Nd合金為例,其沉淀序列為:

  α-Mg→GP區→β""→β"(Mg3Nd)→β(Mg12Nd)

  GP區呈盤狀,與基體完全共格,過時效生成的平衡相為β(Mg12Nd),屬體心四方晶系,與基體不共格。

  Mg-RE合金通常還含有鋅和鋯,Zr可以顯著細化合金鑄造組織,Zn可以進一步提高合金的抗蠕變強度。鎂-稀二元合金晶粒粗大,力學性能低,不能作為結構材料使用。加鋯后,組織細化,才使鑄造狀態合金的力學性能上升到工程結構可以接受的水平,因此,Mg-RE合金均含有一定量的鋯,如EK30A合金(Mg-Th3%RE-0.7%Zr)是首個以稀土為主要合金元素的高溫鑄造鎂合金,在200℃以下有高的抗拉強度和抗蠕變強度,可以滿足航空發動機一些零部件的工作環境要求。向Mg-RE-Zr系合金再加鋅的四元合金具有更高的力學性能,EZ33A合金是這類合金的典型代表,有取代EK30A合金之勢。在Mg-RE-Zr合金中加銀可獲得抗拉性能大為改善的新型合金EQ21A。

  Mg-RE-Zn-Zr合金的顯微組織由α-Mg固溶體和晶界上的塊狀化合物組成,鋅的加入不但增加了晶界上化合物的數量,而且增強它們的連續性。在EZ23A合金中,稀土化合物為Mg9RE。

  近些年來,耐熱Mg-RE合金成了熱門的研究課題。釔在鎂中的固溶度高達12.5%,且隨著溫度的下降而減小,可形成有時效硬化能力的一系列合金。已開發出Mg-Y-Zn-Zr系合金、Mg-Y-Nd-Zn-Zr系合金、Mg-Y-Nd-Zr系合金。Mg-Y-Zn-Zr系合金有良好的綜合力學性能和可鑄造性能,長期工作溫度可達300℃,若再添加Nd,可進一步改善其熱強性能。還有可與鋁基鑄造合金抗蝕性當的抗腐蝕性能。由于釔價高,且不易與鎂形成合金,可以用含75%釔、釓、鉺等重稀土元素的混合稀土取代釔。

  在Mg-Y-Nd系合金中,Mg-6Y-2Nd合金具有最高的抗拉強度和相當高的伸長率,WE54是該系合金獲得商業應用的頭一個,有優秀的高溫性能,已用于制造航空器與賽氣汽缸,不過此合金在150℃長期工作時,會有β""相的二次析出,使合金的塑性逐漸下降,以致不能再用。研究表明,適當減少釔含量,提升Nd含量,合金強度雖略有下降,但可以保持良好的塑性,WE43就是這樣的一個合金。

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