2024年3月5日发(作者:福特车型及报价图片)

Mg,YT孤二十面体准晶的研究M93YZn6二十面体准晶的研究王志峰,赵维民,丁俭,李海鹏,李永艳,梁春永(河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130)摘要:本文介绍了准晶增强镁合金的主要方法以及国内外研究现状和取得的相关成果。本文利用传统铸造条件在镁合金内自生形成M93YZn6二十面体准晶,并以此为主要增强相对镁合金起到增强的效果。作者进一步研究了cu、Ti、ce、sb等微量元素的舔加对M93YZn6二十面体准晶形貌、准晶大小以及准晶显微硬度的影响,对以往准晶的研究工作做了很好的补充。关键词:镁合金;准晶;二十面体;增强颗粒StudyofM93YZn8IcosahedralQuasicrystalWANGZhi—feng,ZHAOWei—rain,DINGJian,LIHai—peng,LIYong—yan,LIANGChun—yong(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Ti柚jin300130,China)Abstract:Thefabricationmethodsofthequasicrystalreinforcedmagnesiumarereviewed.Therecentdevel—areopment,applicationandachievementsinscientificresearchofthequasicrystalreinforcedmagnesiumalsoint;oduced.M93YZmieosahedralquasicrystalwaspreparedthroughendogenetictechniqueundercom—mortfoundryconditiontoimprovethestrengthenofmagnesiumalloys.Theeffectofadditionsofsomeele-mentsofCu,Ti,Ce,Sbandcarbonnanotubestomicrostructure,size,microhardnessofM93YZmicosa.hedralquasicrystalwerestudied.It’8KeyWOrd:Magnesiumasignificantcomplementtothequasicrystalstudyinthisfield.particlealloy;Quasicrystal;Icosabedral;Reinforcedl饼艽苜录镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,它具有密度小、比重轻、节能降耗等一系列优点n】,被誉为”2l世纪的绿色结构材料”。尽管镁合金在世界汽车工业中的应用正以每年约15%一2。%的速度快速增长,远高于其他金属材料,但其在实际应用方面远不及铝合金和钢铁材料,主要原因在于镁合金的塑性变形能力差和强度较低,这大大限制了它的应用。所以提高镁合金的强度是镁合金研究中要解决的首要问题之一123。准晶是美国、以色列等科学家于1982年首先在快速凝固的铝合金里发现的一种具有旋转对称的新结构,是一种不同于晶体和非晶的长程固态有序相。主要特点是非晶体学旋转对称(5、8、10、12次对称)以及长程准周期性。准晶因其独特的结构而具有特殊的力学性能和物理性能l引。由于准晶中不存在特定的滑移面,室温下位错难以运动,所以硬而脆。此外,和晶态合金相比准晶具有超低的摩擦系数1、较低的热膨胀系数、好的耐蚀性以及低的界面能等特点。虽然纯准晶材料因为特别的硬脆很难单独作为结构材料应用,但其特有的高硬度、低热膨胀系数、低界面能、超低摩擦系数和好的耐蚀性使其特别适合作为韧性基体材料中的强化相。准晶相增强镁合金具有强度高、抗震性能好,热稳定性及耐磨、耐蚀性好等优点,它的出现使得镁合金进一步向着高强度、耐热、阻燃、耐蚀、抗变形等方向发展,并将在交通、车辆、3C产品中有着更为·-—-——601·—--——

2008中国铸造活动用论文集广阔的应用前景。比如准晶增强型镁合金汽车铸件良好的耐磨耐蚀性将可以延长零件的使用寿命,在一定程度上降低生产成本,从而可带来良好的社会效益和经济效益【41。又如,传统镁合金正越来越多地被用于制作3c产品,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ljl。自1993年北京航空材料研究院的罗治平博士等首先确定Mg—zn—Y合金中的M93YZrl6三元相为20面体准晶相(IQC)以来,Mg—Zn—RE系准晶成为近年来准晶研究的热点,各国的凝聚态物理学者对Mg—Zn—RE三元系中准晶的形成机制、结构及性能等开展了大量研究。与以往的准晶不同,这种Mg—Zn—RE系准晶不含Al和过渡族金属,而含有稀土,既可以通过快速凝固形成,也可以在常规铸造的缓慢凝固过程中生成,为稳定准晶。镁合金中准晶的存在可制备出准晶相增强高性能镁合金及镁基复合材料,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。本课题即是以Mg—Zn—RE系准晶为切入点进行准晶增强镁合金实验。2准晶增强镁合金的方法‘、目前,准晶相增强高性能镁合金的制备方法可分为两类b1:一类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;另一类则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。2.1·外加法粉末冶金法是其中一种常用的方法,该方法是利用粉末冶金技术将准晶颗粒与金属粉末混合后在高温下挤压成由准晶颗粒与基体金属复合而成的金属基复合材料;也可以将准晶相颗粒在高温下烧结,从而获得致密材料,其突出优点是可以用来制备大块准晶。这种镁合金的力学性能明显优于对应的晶体相,摩擦系数和磨损速率大大低于晶体相。但是该方法成本相对较高,不利于工业化生产。2一内生法(1)机械合金化机械合金化是通过钢球的撞击使合金粉末问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Mg—Al—X(X=Cu、Zn、Pd、Ag、Pt)等合金系中获得了准晶".8】。但此法不适于用于制备Mg—Zn—RE系准晶。(2)快速凝固法快速凝固法是最早用于制备准晶的方法,目前用该方法已在一些Mg—A1一X(X=Cu、Zn、Y、Pd、Ag、Pt)合金系中获得了准晶。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实际生产中的应用。(3)铸造冶金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。本课题即是通过常规铸造方法,获得含Mg,Yzn6五次对称二十面稳定准晶的。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。3Mg—Zn—RE系准晶的研究现状及成果准晶被誉为20世纪80年代凝聚态物理的两大重大进展之一(另一为超导),曾经耀眼一时,现在却逐渐进入了低谷,关键在于其应用前景远不及当初设想的那么光明。准晶室温下硬而脆,不能用作结构材料.如果能够利用准晶的这些独特性能,将其用于增强镁合金,一方面可以开辟准晶材料的新用途,另一方面,也可以为目前的镁合金研究热潮中的高性能镁合金研究开发找到一条新途径。·---——602·—--——

Mg,YZm二十面体准晶的研究近年来,对Mg—zn—RE系准晶的研究工作主要集中在两个方面。其中一个方面是在Mg—zn—RE系准晶的富镁端原位合成具有一定体积分数的准晶增强相,同时通过二次热机械加工工艺如挤压、热轧和等通道角挤压(ECAE)等,改善准晶的形态和分布,进一步提高镁合金的性能。但是此类研究成本比较大,要求的设备较复杂,部分设备处于试验性自行改装阶段,短期内不适合大规模生产。另一个研究方面主要是对Ca、Mn等微量元素在M93YZm花瓣形准晶向球形化准晶转变过程中的相关机理的研究。根据M93REZm准晶的特点,国内外通过控制合金成分和制备工艺,已成功开发出几种含准晶的高强Mg—Zn—Y系合金,其成分和性能如表1所示。表1含准晶高强Mg-Zn-(zr)-y合金的拉伸性能‘“”1999年,在准晶的发现者DanShechtman教授的领导下,以色列工业大学和美国国家标准局(NIST)将快速凝固镁合金Mg一5.5Zn—1.5Y一1Ce(一1Zr)合金急冷薄带经过粉碎和300℃挤压成形后,得到了抗拉强度>590MPa,延伸率约为17%的超高强度镁合金【9】。材料微观组织为仪一Mg基体上均匀分布着w相(M93Y2Zn,)和20面体稳定准晶I相(MgzYZnt)。该合金同时具有高强度’和高韧性,而且在250℃的高温下材料强度损失不大。我国在20世纪80年代由北京航空材料研究院开发的Mg—Zn—RE—Zr系MB25和MB26高强变形镁合金中,主要强化相之一就是20面体稳定准晶(M93YZm),只是当时没有确定其结构¨们。经挤压后,合金的晶粒尺寸细化,约为4—51xm.弥散分布的准晶颗粒能够阻碍位错运动,具有弥散强化效应;此外还能够抑制高温挤压变形时发生再结晶。韩国Bae等…1开发了含有准晶颗粒的高强度M99sZm.,Yo.,(原子分数)镁合金。经400℃热轧后,仪一Mg合金的晶粒尺寸约为141山m,尺寸约为0.5—2.o斗m的准晶I相分布于Ot—Mg晶粒中。在热加工过程中,在仅一Mg晶粒中还析出纳米准晶。这种合金在室温和高温下均具有高强度和大的延伸率。合金的高强度主要来自于高体积分数的准晶颗粒(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,形成稳定的准晶一镁基体界面,也阻止了高温变形过程中基体晶粒的长大。这种镁合金的高延伸率主要与稳定的准晶一镁基体界面有关,使得合金具有很大的变形量,而不在界面处形成孔洞。另一方面,西北工业大学的万迪庆和太原理工的张金山在Mg—Zn—Y三元合金系中二十面体准晶相生长形貌及演化、微量元素对球形准晶形成的影响等方面做了较深入的研究,并在准晶增强镁合金方面做了初步探索。万迪庆n:1采用常规凝固方法在Mg—Zn—Y三元合金系中获得了大体积分数的二十面体准晶。研究表明二十面体准晶相有两种典型形貌特征:一种为花瓣状,另一种为多边形形状。这是准晶在生长过程中形貌演化的结果。合金的成分和冷却速率是影响准晶形貌的主要因素。准晶合金中生.成的低温·——-——603·--———

姗中目铸造话动周论i集相越多,冷却速率越慢,准晶相生长的时问和空间条件越好,准晶相越容易由花擗状演化成多边形状。张金山的研究“”表明,向含有准晶的Mg—zn—Y台金中添加少量的ca.能够改变初生准晶相的形态和大小。凝同组织中的卸生I相由60—80p.m太小的的花瓣状转变成小于15,LLm的球形状。常规Za—Y—Ca合金的凝固组织,由Mg,sZm。Hsc札s球形准晶I相、(M≈szn札Y,+n—Mg)层片状共晶组织、树枝状的dMg“匣MgZn相组成。当ca的质量分数到达005%时,球形I铸造方法得到的Mg相准晶达到最高的球化率和圆整度涪准晶的Mg—Zn降低。张金山的研究表明,向含有准晶的Mg—znY合金的宏观硬度随着ca添加量的增加而Y合金中添加少茸的Mn““.能够得到上述类似的球形准晶。本人在其基础上,研究了cu、n、ce、sb等微量元素的添加刘M目Yzm二十面体准品形貌、准晶大小以及准晶显微硬度的影响,对以往准晶的研究工作做了一定的补充。4实验与结果河北工业大学材料加工学科轻台金凝固技术实验室研究人员在赵维民教授的指导下.制备了如图1(a~f)所示的六种合盎成分。合金的熔炼在自行改装的通有CO:一05%volsR保护气的s&一5—10A型坩埚式电阻炉内进行,准品台金使用Mg,Zn,Y纯锭(999%)金属熔配,金属型浇铸,制得的试样经抛光后用5%的硝酸酒精溶液腐蚀Is一2s,然后用PhilipsXL30型扫描电镜对试样进行分析。(a)Mg矗n*Jts(b)!dg·d口*YsCu*5(c)M女zzn“J1*(d)如4函bL#h图【微量元素对MgJzm准晶形貌的影响(f)№tzon““&z囤1(a)所示为典型的五瓣型M∞Y‰。准晶花瓣,花瓣大小在lO岬左右。固l(b—f)为向(a)舍金中分别加^少量Cu、Ti、Sb、Ce,以及碳纳米管后准晶形貌图。如图(b)所乐,M#一Za—Y舍金中引人Cu元素,使花瓣形准晶转变为球形准晶,准晶球的直径仅2—3Fm。Ti元素和碳纳米管的加^也可使MglYgm准晶球形化,得到的球形准晶直径分别为9—11pm和7~8“m。Sb元索的加^对M93YZrk准晶形态的影响不太.准晶花瓣为典型的五瓣或六瓣型结构,但花瓣尺度范围较大,在10-20“.m问不等(见图(d))。Ce的加^对台金整体形貌影响较大,呈雪花状枝品形态,但枝晶芯部仍为典型的五瓣型准晶结构,值得注意的是,该五瓣型准晶的尺度仅为1¨m左右。以上研究表明,一些微量元索有利于——604——

Mg,YZm=十i体准晶的研究花瓣形准晶转变为球形准晶(如Cu,Wi、C纳米管),一些元素基本不对准晶花瓣形貌产生影响(如sb、ce)。图2所示为微量元素对M目Y执准晶显微硬度的影响,铸造AZglD镁台金的显微硬度在IIOHV左右,而本课鹿研究中Mp正1126sY“舍金显微硬度为157HV,加^微量台盎元素后,准晶合金显微硬度大幅度上升.多数达到200HV,有的接近300HV。仅含C纳米管的准晶比较特殊,其显微硬度下降到了122HV。Mg?15a26Y15曲t0比;二』』t生』笠』‘丝.2础』&丝&tg必0趔¨m”n荆'鹞∞2I■●——————■■■■■■■■M972Zn2SYl5TIO5疰噩噩疆互强互盔互强翌黝”gT2zn2刚5cuo5—■———■—■■■■■■■■■一097Ⅱn∞5vI5■■■■■■■■■—一00150200250300显礅硬窿,HV囤2微量元素对MDYZm准晶&赦硬度的影响5Mg—zn—RE系准晶研究的发展方向目前,国内外对于铗合金中M#一Zn—RE系自生准晶相的结构、形成机制等的研究还比较欠缺.准晶相的形态、影响其形盎的因素、各种形态下准品颗牲的性能、以及各种微量元素对准晶相的形态和性能的影响等等这些大量的工作都有待进一步的研究。与此同时,新思路的增强实验还十分欠缺。能否设计和开发其他增强材料与镁基准晶合成复合材料,并以此种复合材料作为镁台金的增强相,这方面的实验目前还褴有报道。利用自生准晶相强化镁合金.有利于提高镁舍金的综合力学性能包括抗高温蠕变性能、形变加工工艺性能等。这给镁合金研究人员提供了一个新的研究方向。若能进一步揭示镁合金中自生准品的形成机制.就能指导在更多的镁合金体系中引^自生准晶相作为强化相开展研究,从而为高强韧性镁合金的研究找到一条新的途径,这将是一个具有重要学术价值和工程应用潜力的研究领域。参考文献:【1】m口~业叩【J】M日Ieri丑lBzh∞WeimJms¨YonE,ⅡHsipenga.dha“gch¨T1y”gThee如c…of…1…bonmel倒tinSIelp“Iu∞dSe啪ce“dE“口㈣。%,2006,B(127):i05一J0"L【2】杨明渡.唐丽文,扬慧等高强镁音金的研究现状强进展fJl材斟导报,2007,21(5A):30"1【31丁文江等镁合金科学与技术[M】北京.科学出版社.2007210【4】i槊东,丁文江世*科技研究与进R【J】2004,126(3)-39b】裒武华,张晨晨.陈吉华准晶相增强高性能镁台盒∞研究进展[J】材料导报,2007,21(2):93[6】李志强,椽洲,葶小平等材料导报.2002.16(2):9[7】Mm¨一A,Fw衄j.‰mKJMmer‰IktI,1997,I5.2032.(8】Mizutoaiu.铀幽Y,MatB曲tJ嘶B:Co“emMatter,1990,2:615&

2008中国铸造活动周论文集【9】ProjectSHECHTMAND,LANGC1nesiumalloyproducedbyofNISTNationalInstituteofStandardsandTechnologyhighspecificstrengthmagBSP(R).1999Q1Strengtheningeffectsof【lO】LUOZP。SONGDY。ZHANGSn啪earthsonwroughtMg—Zn一盈一REalloys【J】.J【11】AlloysCompd。1995,230:109—1141.BAEDH,LEEMH,KIMKT,etallApplicationofquasicrystallineparticles∞astrengtheningphaseinMg—Zn—Yalloys[J].JAlloysCompd,2002。342(1—2):445—4501.【12]万迪庆,杨根仓。朱满,周尧和.Mg—Zn—Y三元合金中二十面体准晶相生长形貌及其演化【J】.稀有金属材料与工程,2006。35(9):1404—1407.【13】ZHANGJin—shan(张金山),DUHong—wei(杜宏伟),LUBin—feng(卢斌峰).EffectfJ】.TransactionsofCaoncrystallizationofMg—basedmasteralloycontainingsphedcalquasicrystalofNonferrousMetalsSocietyofChina。2∞7.17:273—279.【14]JhmhanZhang,HongweiDu,WeiLiang,ChunxiangXu。BinfengLu.EffectofMnontheformationofMg—basedsphericalicosahedralquasicrystalphase【J】.JournalofAlloysandCompounds。2007,427:244—250.·__——606·--——

Mg3YZn6二十面体准晶的研究作者:作者单位:王志峰, 赵维民, 丁俭, 李海鹏, 李永艳, 梁春永(河北工业大学材料科学与工程学院,天津 300130)

本文链接:/Conference_

更多推荐

准晶,镁合金,研究,合金