压铸耐热镁合金的研究现状和发展趋势

郁鑫等发表于2022/6/8 11:48:05 耐热镁合金压铸强化机制

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摘要：压铸耐热镁合金的发展对促进汽车轻量化进程具有重要意义。分析了压铸镁合金的高温强化机制和塑性变形机制，并结合压铸耐热镁合金的特点探讨了其提升强度及塑性的有效方式。总结了压铸耐热镁合金的研究进展，从合金开发、高温性能、微观组织、失效原因等角度进行了分析。此外，结合压铸耐热镁合金对铸造性能和高温性能的要求，讨论了其发展前景。

近年来，为了降低汽车能耗和尾气排放量而提出了汽车轻量化的要求。汽车轻量化包括汽车结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等。镁合金作为最轻的金属结构材料，兼具高比强度/比刚度、良好的减震性能及散热性能等，得到广泛的重视。压铸工艺作为镁合金中应用最广的工艺，相比于挤压、轧制等方式，更适合一体化生产表面精度高、形状复杂的薄壁件；同时相比于重力铸造，压铸工艺生产效率更高，经济效益更好，更适用于汽车用镁合金的批量成形，因此压铸镁合金在汽车轻量化进程中具有广阔的应用前景。目前典型压铸镁合金有AZ91 (Mg-9Al-1Zn)、AM50 (Mg-5Al-0.3Mn)和AM60 (Mg-6Al-0.3Mn)主要用于汽车壳体、支架、盖子等服役温度低于120 oC的次受力结构件上；压铸耐热镁合金AE44 (Mg-4Al-4RE)等用于服役温度低于175 oC的高温部件中。对于服役温度约200 oC的发动机、传动部件等，目前还是以钢和铝合金为主，尚没有压铸耐热镁合金满足服役要求。为了进一步推进汽车轻量化进程，加快压铸镁合金在发动机缸体、变速箱等高温部件中的应用，需要开发高温性能更好的压铸耐热镁合金以取代目前所用的A380铝合金。

本课题从镁合金的高温强化机制和塑性变形机制着手，探讨压铸镁合金提升高温强度及塑性的有效方式。同时结合近年来的研究工作，总结压铸耐热镁合金的研究进展，探讨其发展方向，为压铸耐热镁合金的后续研发提供一定的参考。

1、压铸耐热镁合金

近年来耐热镁合金的发展主要集中在重力铸造镁合金上，以Mg-RE系为主的Mg-Y-Gd-Zn、Mg-Y-Zn-(Zr)、Mg-Gd-Zn-(Zr)等合金热处理后具有很强的弥散强化作用，其高温强度超过了汽车用耐热铝合金。CHEN等研究的砂型铸造WG103合金经过T6峰值时效处理后，其室温和250 oC时的抗拉强度分别为341 MPa和307 MPa，伸长率分别为2.5%和9.6%。JAFARI NODOOSHAN等研究的WG123-T6合金在250 oC时抗拉强度为320 MPa，伸长率为8%。LU等在Mg-Gd-Y-Zr体系中加入一定量的Zn，经金属型铸造并经T6热处理的WGZ1152镁合金在200 oC时的抗拉强度为345 MPa，300 oC时也能保持在266 MPa。表1为部分Mg-RE系重力铸造镁合金在不同温度下的力学性能，同时以商用铝合金A380作对比，可以看出重力铸造Mg-RE系合金高温力学性能优于A380铝合金。

表1:典型重力铸造镁合金的力学性能
注：S为砂型铸造；PM为金属型铸造；D为高压铸造；T6为经过固溶处理后再进行人工时效的状态；F为铸态

相比于重力铸造镁合金，压铸镁合金一方面要求所选取的合金具有良好的铸造性能，以确保获得高质量的铸件；另一方面，在压铸过程中，熔融金属液高速填充、快速冷却，型腔中的气体来不及排出，使压铸件内部存在气孔，高温时气孔内的气体膨胀会使压铸件表面鼓泡，因此无法热处理]。

2、高温强化机制和塑性变形机制

2.1 高温强化机制

镁合金常温强化机制涉及固溶强化、细晶强化和第二相强化，其中细晶强化和第二相强化占主导作用[15]。高温强化机制研究尚不系统，但主流的方式是固溶强化和第二相强化。对于晶粒细小的压铸镁合金，高温强化的一个主要手段是引入热稳定性良好的第二相钉扎晶界，以此同时实现细晶强化和第二相强化作用，同时配合固溶强化以提升合金性能。

压铸镁合金对合金铸造性能有较高的要求，最主流的压铸镁合金以铸造性能良好的Mg-Al系为主。常温下，固溶Al与Mg形成无序固溶体，与位错呈弹性交互作用，阻碍位错运动，起到一定的强化作用。当温度升高时，Al的固溶强化作用基本可以忽略。此外，近年来高性能压铸Mg-RE系的开发使得RE元素的固溶强化引起了广泛的关注。研究者认为，RE元素尤其是Y与Gd在室温和高温下的固溶强化作用远优于Al，是Mg-RE合金耐热性能好的一个主要原因。RE元素的固溶强化作用可能涉及到元素的短程有序分布 (SRO)、动态应变时效等，尚需进一步探究。

压铸合金易在高温下产生“鼓泡”，因此无法通过热处理去实现其弥散强化。压铸镁合金中的第二相强化主要是初生相对晶界的钉扎。如Mg-Al系中加入Si、Ca、Sr、RE等元素后，分别形成了热稳定性较高的Mg2Si、Al2Ca、Al4Sr和Al11RE3/ Al2RE相，有效提升了Mg-Al系合金的蠕变性能。此外，压铸镁合金中可以形成LPSO相，KAWAMURA对一系列Mg-RE合金组织及性能进行研究，发现在晶界处形成LPSO相的压铸合金，其高温组织稳定性和高温力学性能都明显优于含有其他晶界相的合金。BAI等研发的一种Mg-Y-Zn合金，在晶界处形成网状LPSO相，其室温性能远优于AE44镁合金。因此致密的网状LPSO相形成对晶界的钉扎将是新型压铸耐热镁合金高温强化的一个有效机制。

2.2 塑性变形机制

室温下，只有当外应力大于材料的屈服应力时才会引起塑性变形。室温塑性变形机制包含位错滑移、孪生和扭折，其中位错滑移是大部分金属及合金塑性变形的主要机制。在密排六方(HCP)结构的金属中，连续塑性变形要求同时开动和位错，其中位错可以是基面位错、棱柱面位错或锥面位错，但位错仅存在于锥面上，因此真正影响HCP金属塑性的因素是位错的运动。在纯镁中，与塑性变形有关的位错的运动包括滑移和交滑移。WU通过计算表明，锥面Ⅱ上的位错相比于锥面Ⅰ上的位错具有更低的能量。在低应力和室温下，锥面Ⅰ上的位错极易交滑移到锥面Ⅱ上，但锥面Ⅱ上的位错不能运动到锥面Ⅰ上，因此室温下位错的滑移主要在锥面Ⅱ上进行。但锥面Ⅱ上的位错处于亚稳态，极易转变成能量更低的不可动位错，因而导致了纯镁室温塑性差。除了位错滑移外，孪生也是镁合金中常见的塑性变形机制。孪生一般发生在低温、高应变速率下，其对塑性变形的贡献小于7%。孪生分为拉伸孪晶和压缩孪晶与。此外，扭折也是塑性变形的一种机制，但对塑性变形贡献远小于滑移和孪生，如在含有LPSO相的Mg-Y-Zn合金中尤其常见，它一定程度上协调镁合金的塑性变形。