摘 要
文章介紹了上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心在先進鎂合金材料與成型工藝的研究進展,重點介紹了 JDM1 和 JDM2 兩種鎂合金新材料的顯微組織與強化機制,詳細介紹了塗層轉移精密鑄造技術、大型鑄件低壓鑄造技術、大型鍛件成型技術和表面超聲波陽極氧化技術等 4 種鎂合金成型新工藝,最後介紹了JDM1 和 JDM2 合金及成型新工藝在我國航空航天領域中的應用。
前 言
鎂合金作為最輕的金屬結構材料,具有比強度/比剛度高、尺寸穩定、易於加工成形、導熱導電性好、阻尼減振、電磁屏蔽和容易再回收等優點,因此被譽為「21 世紀綠色工程材料」 。鎂合金已經成為航空航天、汽車、電子通信等工業領域的重要結構材料。在航空航天領域,鎂合金被廣泛應用於製造飛機、導彈、飛船、衛星上的重要機械裝備零件,以減輕零件質量,提高飛行器的機動性能,降低航天器的發射成本。早在 20 世紀 50 年代,我國仿製的飛機和導彈的蒙皮、框架以及發動機機匣已採用鎂稀土合金。70 年代後,隨著我國航空航天技術的迅速發展,鎂合金也在強擊機、直升機、導彈、衛星等產品上逐步得到推廣和應用。例如:ZM6鑄造鎂合金已經用於製造直升機尾減速機匣、殲擊機翼肋及 30 kW 發電機的轉子引線壓板等重要零件;MB25 稀土高強鎂合金已代替部分中強鋁合金,在強擊機上獲得應用 。目前,我國航空航天領域對減重的迫切需求為鎂合金新材料的開發與應用提供了機遇與挑戰。
限制鎂合金材料在航空航天領域應用主要有兩個因素:1)材料強度偏低,尤其是高溫強度和抗蠕變性能較差;2)鎂合金鑄件容易形成縮松和熱裂紋,成品率低,鎂合金變形件塑性加工條件控制困難,導致組織與力學性能不穩定。作為我國重要的鎂合金研發和技術轉移中心,上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心針對以上兩個制約因素,展開了系統深入的研究,經過 20 多年的探索與開發,在新材料與新工藝方面取得了較大突破。本文重點介紹上海交通大學開發的 2 種新型鎂合金材料與 4 種鎂合金製備新工藝,以及其在我國航空航天領域中的應用。
鎂合金新材料的研發
為了提高鎂合金的強度,上海交通大學近年來對各個 Mg-RE 系合金重新進行了審視,系統研究了Mg-Nd-Zn 、Mg-Gd 、Mg-Gd-Y 、Mg-Gd-Nd 、Mg-Gd-Sm 、Mg-Gd-Zn 、Mg-Gd-Ag 、Mg-Y-Nd 、Mg-Y-Sm 、 Mg-Dy-Gd-Nd 、 Mg-Y-Gd 、Mg-Sm-Zn等多個 Mg-RE 系合金,重點探討了合金的強化與韌化機制,研究發現 JDM1 和 JDM2 鎂合金具有優良的綜合力學性能,下面重點介紹這兩種合金的顯微組織與強韌化機制。
1.JDM1 鎂合金
JDM1 鑄造鎂合金是一種低稀土含量的鎂合金,其典型的室溫力學性能為屈服強度 140 MPa、抗拉強度 300 MPa、延伸率 10%,典型的顯微組織如圖 1所示,鑄態的 JDM1 鎂合金主要由鎂基體(α-Mg)和離異共晶 Mg 12 Nd 相構成。固溶處理後,初生離異或析出的共晶 Mg 12 Nd 相固溶進入基體,同時在晶粒內部形成細小彌散相,如圖 2 所示。這些細小彌散相為含 Zr 化合物,呈橢球狀和短片狀,研究表明橢球狀的為 Zr-H 化合物,而短片狀的為 Zn-Zr 化合物,其他含 Zr 化合物仍需進一步確認。JDM1 鑄造鎂合金最終使用狀態為 200 ℃峰值時效態(即 T6 態),固溶處理態合金經過時效沉澱強化後合金強度進一步提高,時效沉澱強化對室溫屈服強度的貢獻率佔60%以上(表 1),是 JDM1 鑄造鎂合金最主要的強化機制。200 ℃峰值時效時 β″和 β′亞穩相同時存在,分別如圖 3 中黑色與白色箭頭所示,以 β″亞穩相為主。圖 4 為 JDM1 鑄造鎂合金T6 態短時高溫抗拉強度隨溫度變化的曲線,可以看出:當溫度高於250 ℃時,合金抗拉強度明顯下降;而在 250 ℃及以下溫度時,合金力學性能下降較小;250 ℃時的抗拉強度仍高於240 MPa。因此,JDM1鑄造鎂合金可以在250 ℃及以下溫度使用,合金在200 ℃和100 MPa 載荷下的穩態蠕變速率在10 -9 量級水平,蠕變性能良好。