Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金：組織調控機制與性能優化策略研究一、引言1.1研究背景與意義在當今全球倡導節能減排和可持續發展的大背景下，輕量化材料的研發與應用成為眾多工業領域的關鍵焦點。在各類輕量化材料中，鎂合金憑借其密度小、比強度和比剛度高、減震性好、電磁屏蔽性優良以及易加工等一系列突出優勢，在汽車、航空航天、電子等行業展現出巨大的應用潛力。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金作為鎂合金材料家族中的重要一員，近年來受到了廣泛的關注和深入的研究。其主要合金元素包括鎂（Mg）、鋁（Al）以及稀土元素（RE）。其中，鎂作為基體，為合金提供了低密度的基礎特性；鋁的加入能夠有效提高合金的強度和硬度，通過形成金屬間化合物，如Mg??Al??相，在合金中起到強化作用；而稀土元素的添加則具有獨特的功效，它們可以細化合金晶粒，顯著改善合金的微觀組織，進而提高合金的室溫及高溫力學性能、耐腐蝕性能等。例如，稀土元素Nd的加入，可與合金中的Al形成高熔點的Al-Nd相，這些細小且彌散分布的第二相能夠阻礙位錯運動，從而提高合金的強度和耐熱性。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態晶粒有所細化，形成較多彌散分布的細小顆粒狀Al?Nd和少量針狀Al??Nd?，原有的半連續網狀分布的β-Mg??Al??數量有所減少，室溫抗拉強度、伸長率和熱導率分別提高了14%、100%和14%。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在汽車工業中的應用前景極為廣闊。汽車行業對輕量化的需求極為迫切，因為減輕車身重量不僅可以有效降低燃油消耗，減少尾氣排放，還能提升車輛的操控性能和加速性能。據相關研究表明，汽車重量每降低10%，燃油消耗可降低6%-8%，尾氣排放可減少5%-6%。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金可用于制造汽車的發動機缸體、變速器殼體、輪轂、車門框架等關鍵部件。使用鎂合金材料制造這些部件，能夠在保證部件強度和性能的前提下，顯著減輕部件重量，從而實現汽車的輕量化目標。以發動機缸體為例，采用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金制造，相較于傳統的鑄鐵缸體，重量可減輕30%-50%，同時還能提高發動機的散熱性能和工作效率。在航空航天領域，由于對材料的輕量化和高性能要求極高，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金同樣具有重要的應用價值。航空航天器在飛行過程中，需要消耗大量的能量來克服自身重力，因此減輕結構重量對于提高航空航天器的性能和降低運行成本至關重要。該系合金的低密度和高比強度特性，使其成為制造航空航天器結構件的理想材料之一。例如，在飛機的機翼、機身框架等部件中應用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金，可以有效減輕飛機的重量，提高飛機的燃油效率和航程，同時還能增強飛機的結構強度和穩定性。然而，目前Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在實際應用中仍面臨一些亟待解決的問題。一方面，合金的絕對強度和塑性還有提升空間，難以滿足一些對材料性能要求苛刻的應用場景。例如，在一些承受高載荷的汽車零部件中，現有的合金強度和塑性無法完全滿足其使用要求，容易出現疲勞斷裂等問題。另一方面，合金的耐熱能力不足，限制了其在高溫環境下的應用。當溫度升高時，合金的力學性能會顯著下降，這使得其在發動機等高溫部件中的應用受到限制。因此，對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行組織調控和性能改進具有重要的現實意義和緊迫性。通過對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調控，可以改變合金的晶粒尺寸、形態和分布，以及第二相的種類、數量、尺寸和分布，從而實現對合金性能的優化。例如，采用合適的變質處理、熱加工工藝或熱處理工藝，可以細化合金晶粒，使第二相更加均勻彌散地分布在基體中，從而提高合金的強度、塑性和韌性。在對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行性能改進方面，通過添加微量元素、優化合金成分設計以及研發新型制備工藝等手段，有望提高合金的綜合性能。添加適量的Ca、Sr等微量元素，可以提高合金的耐熱性能；優化合金成分中Mg、Al、RE等元素的比例，可以平衡合金的強度、塑性和耐熱性等性能。對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調控與性能改進研究，不僅能夠拓展鎂合金的應用領域，推動汽車、航空航天等行業的技術進步和發展，還能為實現節能減排、可持續發展的目標做出重要貢獻。本研究將圍繞Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調控與性能改進展開深入探討，旨在為該系合金的進一步發展和應用提供理論依據和技術支持。1.2國內外研究現狀近年來，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在國內外均受到了廣泛關注，眾多學者圍繞其組織調控和性能改進開展了大量研究工作。在組織調控方面，國外學者取得了一系列具有代表性的成果。例如，倫敦布魯內爾大學聯合法國里爾大學以及中南大學的研究團隊開發了一種含Gd的Mg3.5RE(La，Ce，Nd)1.5GdMnAl壓鑄合金，從原子水平上研究了合金抗蠕變性能改善的特征和機理。結果顯示，在300°C/50MPa的臨界條件下，該合金具有1.35×10?10s?1的超低穩態蠕變率，比相應的無鋁Mg3.5RE1.5GdMn合金低71%，并且遠低于傳統Mg-Al基壓鑄合金。研究發現，在含Gd的Mg3.5RE1.5GdMnAl合金的Mg基體中加入Al能誘導形成新型熱穩定的三元AlMnGd(SRO)/團簇，且在300℃/50MPa下蠕變400h后仍然存在，尺寸在10nm以下，與Mg基體一致。此外，在蠕變過程中，可以觀察到用于位錯釘扎的高密度AlMnGdSRO/團簇。正是Al、Gd和Mn的協同作用促使了熱穩定和抗蠕變的AlMnGdSRO/團簇形成，從而顯著改善了抗蠕變性能，顛覆了Al對Mg合金抗蠕變不利的傳統理解。同時，在Mg3.5RE1.5GdMnAl合金的晶界處形成Mg12RE相的熱穩定網絡，阻礙了位錯在晶界上的跨越移動，這在實現Mg3.5RE1.5GdMnAl合金的高抗蠕變性中發揮了重要作用。在晶界處，Al被Gd束縛形成少數熱穩定的富稀土Al2RE3化合物，且在300℃的高蠕變溫度下不會降解。國內學者也在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調控研究中做出了重要貢獻。有學者在針對mg-al-re系壓鑄鎂合金的研究中發現，通過將ae系壓鑄鎂合金中常用的鑭鈰混合稀土調整為純鑭，可改變mg-al-re系壓鑄鎂合金的第二相形貌。使用混合稀土所制的mg-al-re合金中的第二相除了al11re3相外，還存在有顆粒狀的al2re相，而使用純鑭稀土所制的mg-al-la合金中的第二相幾乎都為樹枝狀的al11re3相。由于al11re3相的耐熱能力優于al2re相，故mg-al-la合金的耐熱性能優于mg-al-re合金。此外，樹枝狀的al11re3相的數密度遠高于顆粒狀的al2re相，故其對于位錯的阻擋能力更強，使得mg-al-la合金的強度也優于mg-al-re合金。在性能改進方面，國外研究注重通過多元合金化和工藝優化來提升合金綜合性能。如德國大眾汽車公司對Beetle發動機曲軸箱材料的研究，早期采用AS41和AS42合金，后來采用改進的AE42合金，其在高溫下的蠕變性能得到了進一步提高。AE42合金通過添加稀土元素，與Al元素結合生成高熔點的Al11RE3或Al2RE相，避免了低熔點的Mg17Al12相的形成，不僅提高了合金的塑性還提高了合金的耐熱能力。國內在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金性能改進方面也成果豐碩。有研究在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態晶粒有所細化，形成較多彌散分布的細小顆粒狀Al2Nd和少量針狀Al11Nd3，原有的半連續網狀分布的β-Mg17Al12數量有所減少。壓鑄態AZ91D-1.11Nd合金呈現良好的綜合性能，室溫抗拉強度、伸長率和熱導率分別為272MPa、12.0%和69.5W/（m?K），與AZ91D合金相比分別提高14%、100%和14%；同時呈現與AZ91D合金相當的優異鑄造工藝性能，流動長度達到1161mm。還有研究開發了一種新型Mg-RE-Al合金，闡釋了合金成分設計思路，并研究了合金高溫下的微觀組織、力學性能變化和相穩定性。結果發現新開發的Mg-RE-Al合金屈服強度高，在300℃時屈服強度達到94MPa，顯著高于AE44和HP2+合金；合金的彈性模量從室溫上升到300℃僅下降13%，高溫剛度保持良好；合金在200-300℃具有良好的高溫相穩定性。盡管國內外在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調控與性能改進方面取得了諸多成果，但目前仍存在一些問題亟待解決。部分研究中合金的制備工藝復雜，成本較高，難以實現大規模工業化生產；一些通過組織調控提高性能的方法，在實際生產中可能因工藝參數難以精確控制而受到限制；對于合金在復雜服役環境下的長期性能和可靠性研究還不夠深入。這些問題為后續的研究提供了方向和挑戰。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容合金成分設計與優化：深入研究Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中Mg、Al、RE等主要元素以及Ca、Sr、Mn等微量元素的含量變化對合金微觀組織和性能的影響規律。通過理論計算和實驗驗證相結合的方式，設計一系列不同成分的合金配方，并利用熱力學軟件對合金的相組成、凝固過程進行模擬分析，預測合金的組織和性能，從而篩選出具有潛在優異性能的合金成分，為后續實驗研究提供理論依據。例如，在研究稀土元素Nd對合金性能的影響時，設計多組不同Nd含量的合金，分析Nd含量從0.5%增加到3%過程中，合金微觀組織中Al-Nd相的形成、分布以及對基體晶粒細化的作用，以及對合金室溫及高溫力學性能的影響規律。組織調控機制研究：采用金相顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀分析手段，系統研究合金在凝固過程中的組織演變機制，包括晶粒的形核與長大、第二相的析出與長大等過程。重點探究不同的變質處理（如添加稀土變質劑）、熱加工工藝（如擠壓、鍛造）以及熱處理工藝（如固溶處理、時效處理）對合金微觀組織的調控作用，明確組織調控與性能之間的內在聯系。以變質處理為例，研究添加不同種類和含量的稀土變質劑后，合金中初生α-Mg晶粒的細化程度、第二相的形態和分布變化，以及這些微觀組織變化如何影響合金的強度、塑性和韌性。性能改進與評價：全面測試優化后的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的各項性能，包括室溫及高溫力學性能（如抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度、沖擊韌性等）、耐腐蝕性能（如鹽霧試驗、電化學腐蝕測試）、耐熱性能（如熱膨脹系數、高溫蠕變性能）等。對比不同成分和工藝條件下合金的性能差異，分析影響合金性能的關鍵因素，建立合金成分-組織-性能之間的定量關系模型，為合金的性能改進提供理論指導。例如，通過高溫蠕變試驗，研究不同溫度和應力條件下合金的蠕變行為，分析合金中第二相的熱穩定性、晶界結構等因素對蠕變性能的影響，從而提出提高合金耐熱性能的有效措施。壓鑄工藝優化：研究壓鑄過程中的工藝參數（如壓鑄溫度、壓鑄壓力、保壓時間、模具溫度等）對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金鑄件質量和性能的影響。通過正交試驗設計等方法，優化壓鑄工藝參數，減少鑄件中的缺陷（如氣孔、縮孔、裂紋等），提高鑄件的致密度和尺寸精度，實現合金性能與壓鑄工藝的協同優化，為Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的實際生產應用提供工藝支持。例如，通過正交試驗研究壓鑄溫度（680℃、700℃、720℃）、壓鑄壓力（30MPa、35MPa、40MPa）、保壓時間（3s、5s、7s）三個因素對鑄件抗拉強度和伸長率的影響，找出最優的工藝參數組合。1.3.2研究方法實驗研究方法合金熔煉與制備：采用電阻爐或感應爐進行合金熔煉，以純鎂、純鋁、稀土中間合金以及其他微量元素中間合金為原料，在保護性氣體（如Ar或CO?+SF?混合氣體）氛圍下進行熔煉，確保合金成分均勻。熔煉過程中嚴格控制溫度、熔煉時間和攪拌速度等參數，以獲得高質量的合金液。然后將合金液澆鑄到金屬模具或砂型模具中，制備出所需的壓鑄試樣或其他測試試樣。微觀組織分析：利用金相顯微鏡對合金的金相組織進行觀察，分析晶粒尺寸、形態和分布；采用掃描電子顯微鏡結合能譜分析（EDS），研究合金中第二相的種類、成分、尺寸和分布；借助透射電子顯微鏡，觀察合金的晶體結構、位錯組態以及第二相的精細結構，深入揭示合金的微觀組織特征。性能測試：使用萬能材料試驗機進行室溫及高溫拉伸試驗，測定合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率；采用硬度計測試合金的硬度；通過沖擊試驗機進行沖擊試驗，評價合金的沖擊韌性；利用鹽霧試驗箱進行鹽霧腐蝕試驗，用電化學工作站進行電化學腐蝕測試，評估合金的耐腐蝕性能；采用熱膨脹儀測量合金的熱膨脹系數，利用高溫蠕變試驗機進行高溫蠕變試驗，研究合金的耐熱性能。壓鑄工藝試驗：在冷室壓鑄機或熱室壓鑄機上進行壓鑄工藝試驗，通過改變壓鑄溫度、壓鑄壓力、保壓時間、模具溫度等工藝參數，制備出不同工藝條件下的壓鑄試樣。對試樣進行質量檢測，包括外觀檢查、尺寸測量、內部缺陷檢測（如X射線探傷、超聲波探傷）等，分析工藝參數對鑄件質量和性能的影響。數值模擬方法合金凝固過程模擬：運用ProCAST、MAGMAsoft等鑄造模擬軟件，對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的凝固過程進行數值模擬。通過建立合金的凝固模型，輸入合金成分、熱物理性能參數以及壓鑄工藝參數等，模擬合金在凝固過程中的溫度場、流場和溶質場分布，預測鑄件中的縮孔、縮松等缺陷的產生位置和大小，為優化壓鑄工藝和模具設計提供理論依據。熱加工過程模擬：利用Deform、MSC.SuperForm等熱加工模擬軟件，對合金的熱擠壓、鍛造等熱加工過程進行模擬分析。模擬熱加工過程中合金的應力、應變分布，預測材料的流動行為和微觀組織演變，優化熱加工工藝參數，提高熱加工產品的質量和性能。二、Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的基本理論2.1Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金概述Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金是以鎂（Mg）為基體，以鋁（Al）和稀土元素（RE）為主要合金化元素，并可能含有少量其他微量元素（如Zn、Mn、Ca等）的一類鑄造鎂合金。這類合金憑借其獨特的成分設計，展現出一系列優異的性能，在現代工業中占據著重要地位。在成分構成上，鎂作為基體金屬，賦予合金低密度的基本特性，其密度約為1.74g/cm3，僅為鋼鐵的1/4左右，這使得Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在對重量有嚴格要求的應用場景中具有顯著優勢。鋁是主要的合金化元素之一，其在合金中的含量通常在3%-10%之間。鋁的加入能夠與鎂形成金屬間化合物，如Mg??Al??相。這種相的形成不僅可以提高合金的強度和硬度，還能在一定程度上改善合金的鑄造性能。當鋁含量增加時，合金中Mg??Al??相的數量會相應增多，合金的強度和硬度會得到提升，但同時塑性可能會有所下降。稀土元素在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中起著至關重要的作用，常見的稀土元素包括鑭（La）、鈰（Ce）、釹（Nd）、釔（Y）等，其添加量一般在0.5%-5%之間。稀土元素具有獨特的電子結構和化學性質，能夠細化合金晶粒，顯著改善合金的微觀組織。以Nd為例，它可以與合金中的Al形成高熔點的Al-Nd相，這些細小且彌散分布的第二相能夠阻礙位錯運動，從而提高合金的強度和耐熱性。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態晶粒有所細化，形成較多彌散分布的細小顆粒狀Al?Nd和少量針狀Al??Nd?，原有的半連續網狀分布的β-Mg??Al??數量有所減少，室溫抗拉強度、伸長率和熱導率分別提高了14%、100%和14%。根據合金中各元素的具體含量和配比不同，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金可以進一步細分為多個類別。常見的有AE系列，如AE42（Mg-4Al-2RE）、AE44（Mg-4Al-4RE）等。在AE系列合金中，稀土元素與鋁元素結合生成高熔點的Al??RE?或Al?RE相，從而避免了低熔點的Mg??Al??相的大量形成，不僅提高了合金的塑性，還增強了合金的耐熱能力。AE44合金的塑性可達16％以上，是目前壓鑄鎂合金中綜合力學性能較為優異的合金之一。還有一些特殊的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金，它們通過調整稀土元素的種類和含量，以及添加其他微量元素，來滿足特定的性能需求。通過將AE系壓鑄鎂合金中常用的鑭鈰混合稀土調整為純鑭，可改變Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的第二相形貌。使用混合稀土所制的Mg-Al-RE合金中的第二相除了Al??RE?相外，還存在有顆粒狀的Al?RE相，而使用純鑭稀土所制的Mg-Al-La合金中的第二相幾乎都為樹枝狀的Al??RE?相。由于Al??RE?相的耐熱能力優于Al?RE相，故Mg-Al-La合金的耐熱性能優于Mg-Al-RE合金。此外，樹枝狀的Al??RE?相的數密度遠高于顆粒狀的Al?RE相，其對于位錯的阻擋能力更強，使得Mg-Al-La合金的強度也優于Mg-Al-RE合金。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金具有一系列突出的特點。在力學性能方面，其比強度和比剛度較高，能夠在承受一定載荷的情況下，有效減輕結構的重量。這一特性使其在航空航天、汽車等對材料輕量化要求較高的領域具有廣闊的應用前景。在航空航天器中，減輕結構重量可以提高飛行性能和降低運行成本；在汽車中，減輕車身重量可以降低燃油消耗和減少尾氣排放。該系合金還具有良好的減震性，能夠有效吸收和衰減震動能量，減少震動對設備和結構的影響。在汽車發動機等部件中應用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金，可以降低發動機工作時產生的震動和噪聲，提高乘坐的舒適性。在鑄造性能方面，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金具有良好的流動性，能夠在壓鑄過程中快速填充模具型腔，形成復雜形狀的鑄件。其凝固收縮率相對較小，有助于減少鑄件中的縮孔和縮松等缺陷，提高鑄件的尺寸精度和質量。在制造汽車發動機缸體等復雜結構件時，良好的鑄造性能可以保證鑄件的質量和生產效率。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在工業領域有著廣泛的應用。在汽車工業中，它被大量用于制造發動機缸體、變速器殼體、輪轂、車門框架等零部件。發動機缸體采用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金制造，相較于傳統的鑄鐵缸體，重量可減輕30%-50%，同時還能提高發動機的散熱性能和工作效率。變速器殼體使用該系合金，不僅可以減輕重量，還能提高變速器的換擋平順性和傳動效率。在航空航天領域，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金可用于制造飛機的機翼、機身框架、發動機部件等。機翼采用該系合金制造，可以有效減輕飛機的重量，提高飛機的燃油效率和航程；發動機部件使用該系合金，能夠在高溫環境下保持較好的力學性能，提高發動機的可靠性和性能。在電子領域，該系合金常用于制造電子設備的外殼，如手機、筆記本電腦等。其良好的電磁屏蔽性可以有效阻擋電子設備內部的電磁干擾，保護設備的正常運行；同時，其輕質、高強度的特點也符合電子設備輕量化、小型化的發展趨勢。2.2合金的組織結構Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織結構對其性能起著至關重要的作用，深入了解其晶體結構、相組成和微觀組織特征，有助于揭示合金性能差異的內在原因，為合金的性能優化提供理論依據。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的基體為密排六方（HCP）結構的α-Mg。這種晶體結構具有較低的對稱性，其滑移系相對較少，主要包括基面{0001}<11-20>滑移系、棱柱面{10-10}<11-20>滑移系和錐面{10-11}<11-20>滑移系等。在室溫下，由于基面滑移的臨界分切應力較低，基面滑移是主要的塑性變形方式。然而，基面滑移的局限性使得鎂合金在室溫下的塑性變形能力相對較差。當受到外力作用時，位錯在基面上運動，通過位錯的滑移和交割實現塑性變形。由于滑移系有限，位錯運動容易受到阻礙，導致加工硬化速率較快，從而限制了合金的塑性。合金中的相組成較為復雜，除了α-Mg基體外，還存在多種金屬間化合物相。常見的相包括Mg??Al??相、Al-RE相（如Al??RE?、Al?RE等）以及其他可能的三元或多元相。Mg??Al??相是Mg-Al系合金中的重要強化相，在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，其形成與Al元素含量密切相關。當Al含量較高時，會形成較多的Mg??Al??相，通常呈連續或半連續的網狀分布于α-Mg晶界處。在AZ91D合金中，由于Al含量相對較高，晶界處存在大量連續網狀分布的Mg??Al??相。這種相的存在對合金性能有顯著影響，它可以提高合金的強度和硬度，因為晶界處的Mg??Al??相能夠阻礙位錯運動，增加位錯滑移的阻力。由于其呈連續網狀分布，會降低合金的塑性和韌性，因為在受力時，晶界處的Mg??Al??相容易成為裂紋源，裂紋沿著晶界擴展，導致合金過早斷裂。Al-RE相是Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中另一類重要的相，其種類和形態與所添加的稀土元素種類和含量有關。以鑭（La）、鈰（Ce）、釹（Nd）等稀土元素為例，它們與Al元素結合可以形成高熔點的Al??RE?相和Al?RE相等。在添加鑭鈰混合稀土的Mg-Al-RE合金中，第二相除了Al??RE?相外，還存在有顆粒狀的Al?RE相；而使用純鑭稀土的Mg-Al-La合金中的第二相幾乎都為樹枝狀的Al??RE?相。Al-RE相具有較高的熱穩定性和硬度，它們在合金中主要起到細化晶粒和彌散強化的作用。細小且彌散分布的Al-RE相能夠阻礙晶粒的長大，使合金的晶粒得到細化，從而提高合金的強度和韌性。這些相還可以作為位錯運動的障礙，進一步提高合金的強度。當位錯運動到Al-RE相時，需要繞過或切過這些相，從而增加了位錯運動的阻力，提高了合金的強度。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的微觀組織特征主要包括晶粒尺寸、形態和第二相的分布等。在壓鑄過程中，由于冷卻速度較快，合金的晶粒通常較為細小。晶粒尺寸對合金性能有著重要影響，一般來說，晶粒越細小，合金的強度和韌性越高。這是因為細晶粒合金中晶界面積較大，晶界對變形的阻礙作用增強，使得位錯運動更加困難，從而提高了合金的強度；同時，細晶粒合金中裂紋擴展的路徑更加曲折，需要消耗更多的能量，因此韌性也得到提高。通過添加稀土元素等變質處理手段，可以進一步細化合金晶粒。稀土元素在凝固過程中可以作為異質形核核心，增加形核率，從而細化晶粒。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中添加適量的Nd元素，能夠顯著細化晶粒，提高合金的室溫及高溫力學性能。第二相在α-Mg基體中的分布狀態對合金性能也有重要影響。理想的情況是第二相能夠均勻彌散地分布在基體中，這樣可以充分發揮其強化作用，提高合金的綜合性能。如果第二相分布不均勻，出現團聚或偏析現象，會降低合金的性能。當第二相團聚時，會在局部區域形成應力集中點，容易引發裂紋的產生和擴展，降低合金的強度和韌性。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，如果稀土元素添加不當或熔煉工藝不合理，可能會導致Al-RE相團聚，從而降低合金的性能。2.3合金的性能特點Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金憑借其獨特的成分和組織結構，展現出一系列顯著的性能特點，在多個領域得到了廣泛應用。然而，如同任何材料一樣，它也存在一定的優勢與不足。2.3.1力學性能Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金具有較高的比強度和比剛度，這是其在輕量化應用中備受青睞的重要原因之一。比強度是材料的強度與密度之比，比剛度是材料的彈性模量與密度之比。由于鎂的密度僅為1.74g/cm3，約為鋼鐵的1/4，鋁合金的2/3，在保證一定強度和剛度的前提下，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金能夠有效減輕結構件的重量。在航空航天領域，飛機的機翼、機身框架等部件采用該系合金制造，可以在不降低結構強度和穩定性的情況下，顯著減輕飛機重量，提高燃油效率和航程。在汽車工業中，使用該系合金制造發動機缸體、變速器殼體等部件，不僅能減輕車身重量，降低燃油消耗和尾氣排放，還能提升車輛的操控性能和加速性能。合金的室溫強度和塑性與合金成分、微觀組織密切相關。鋁元素的加入可以提高合金的強度，其與鎂形成的Mg??Al??相在晶界處起到強化作用，阻礙位錯運動，從而提高合金的強度。當Al含量在一定范圍內增加時，合金的強度會相應提高。在AZ91D合金中，較高含量的Al使得晶界處形成較多連續網狀分布的Mg??Al??相，合金的強度得到顯著提升，其室溫抗拉強度可達230MPa左右。過多的Mg??Al??相呈連續網狀分布在晶界處，會降低合金的塑性，使合金在受力時容易沿晶界產生裂紋，導致斷裂。稀土元素的添加對合金的室溫力學性能有著重要影響。稀土元素可以細化合金晶粒，使第二相更加均勻彌散地分布在基體中，從而提高合金的強度和塑性。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中添加適量的Nd元素，能夠顯著細化晶粒，形成較多彌散分布的細小顆粒狀Al?Nd和少量針狀Al??Nd?，原有的半連續網狀分布的β-Mg??Al??數量有所減少，室溫抗拉強度和伸長率都得到提高。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，室溫抗拉強度提高了14%，達到272MPa，伸長率提高了100%，達到12.0%。在高溫環境下，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的力學性能會發生變化。隨著溫度的升高，合金的強度和硬度會逐漸下降，塑性會有所增加。這是因為高溫下原子的熱運動加劇，位錯運動更加容易，晶界的阻礙作用減弱，導致合金的強度降低。當溫度升高到一定程度時，合金中的第二相可能會發生溶解或長大，進一步影響合金的力學性能。在200℃時，一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的抗拉強度可能會下降到室溫時的60%-70%。合金的高溫力學性能與第二相的熱穩定性密切相關。Al-RE相具有較高的熱穩定性，在高溫下能夠保持其形態和分布，繼續發揮強化作用，從而提高合金的高溫強度。如Al??RE?相和Al?RE相在高溫下較為穩定，能夠阻礙位錯運動，提高合金的高溫抗變形能力。在一些含有Al-RE相的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，在250℃時仍能保持一定的強度，滿足一些高溫部件的使用要求。2.3.2耐熱性能Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的耐熱性能是其在高溫應用領域的關鍵性能指標之一。合金的耐熱性能主要取決于其微觀組織和相組成。其中，Al-RE相的種類、數量和分布對耐熱性能起著重要作用。如前文所述，Al??RE?相和Al?RE相具有較高的熱穩定性，能夠有效提高合金的耐熱性能。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，這些高熔點的Al-RE相可以在晶界和晶內彌散分布，阻礙位錯運動和晶界滑移，從而提高合金在高溫下的抗變形能力。在高溫服役條件下，合金會發生蠕變現象，即材料在恒定應力作用下，隨著時間的延長而緩慢發生塑性變形的現象。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的蠕變性能與合金成分、微觀組織以及服役溫度和應力等因素密切相關。通過添加稀土元素形成熱穩定的Al-RE相，可以顯著改善合金的蠕變性能。在AE42合金中，稀土元素與Al元素結合生成高熔點的Al??RE?或Al?RE相，避免了低熔點的Mg??Al??相的形成，從而提高了合金的高溫蠕變性能，使其可在200-250℃長期使用。溫度和應力對合金的蠕變行為有著顯著影響。隨著溫度的升高和應力的增大，合金的蠕變速率會加快，蠕變變形量會增大。在高溫和高應力條件下，合金中的位錯運動更加劇烈，晶界滑移更容易發生，導致蠕變加速。當溫度從200℃升高到250℃，應力從50MPa增加到70MPa時，一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的蠕變速率可能會增加數倍。與其他耐熱合金相比，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在某些方面具有優勢。其密度低，在對重量有嚴格要求的高溫應用場景中，具有明顯的輕量化優勢。在航空發動機的一些非關鍵高溫部件中，使用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金可以減輕部件重量，提高發動機的整體性能。該系合金的成本相對較低，在一些對成本敏感的高溫應用領域，具有一定的競爭力。在汽車發動機的部分高溫部件中，使用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金可以在保證一定耐熱性能的前提下，降低生產成本。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的耐熱性能仍無法與一些高性能的鎳基、鐵基耐熱合金相比。在一些對耐熱性能要求極高的航空航天發動機關鍵部件中，如渦輪葉片等，由于工作溫度極高，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的耐熱性能無法滿足要求，仍需使用鎳基、鐵基耐熱合金。2.3.3耐蝕性能Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的耐蝕性能是影響其實際應用的重要因素之一。鎂的化學活性較高，在自然環境中容易發生腐蝕，這在一定程度上限制了鎂合金的應用范圍。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，通過合理的合金化和微觀組織控制，可以改善其耐蝕性能。合金中的雜質元素，如Fe、Ni、Cu等，會顯著降低合金的耐蝕性能。這些雜質元素在合金中會形成微電池，加速腐蝕過程。當合金中Fe含量超過一定限度時，會在合金表面形成Fe-Mg金屬間化合物，這些化合物作為陰極，與鎂基體構成腐蝕微電池，導致鎂基體加速腐蝕。嚴格控制合金中的雜質元素含量，是提高合金耐蝕性能的重要措施之一。稀土元素的添加對合金的耐蝕性能有積極影響。稀土元素可以細化合金晶粒，改善合金的微觀組織均勻性，減少微電池的形成，從而提高合金的耐蝕性能。一些稀土元素還可以在合金表面形成致密的氧化膜，起到保護作用，阻止腐蝕介質進一步侵蝕合金基體。在含稀土的AE42合金中，其鹽霧試驗的耐蝕性已超過壓鑄鋁合金A380，遠好于低碳鋼。在不同的腐蝕環境中，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的腐蝕行為有所不同。在中性鹽霧環境中，合金主要發生電化學腐蝕，腐蝕過程中會在合金表面形成腐蝕產物膜，隨著腐蝕時間的延長，腐蝕產物膜逐漸增厚，當膜破裂時，會加速合金的腐蝕。在酸性環境中，合金會與酸發生化學反應，產生氫氣，加速合金的溶解腐蝕。在堿性環境中，合金的腐蝕速率相對較慢，但在某些條件下，也會發生腐蝕現象。與其他常用合金的耐蝕性能對比，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的耐蝕性能優于低碳鋼，在嚴格控制雜質元素含量和添加稀土元素的情況下，其耐蝕性可超過壓鑄鋁合金A380。與一些不銹鋼相比，其耐蝕性能仍有差距。在一些對耐蝕性要求極高的海洋環境和化工領域，不銹鋼等耐蝕合金仍然是首選材料。三、Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調控方法3.1合金元素添加3.1.1稀土元素的作用在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，稀土元素的添加對合金組織具有顯著的細化和強化作用，其作用機理涉及多個方面。從細化晶粒的角度來看，稀土元素在合金凝固過程中發揮著關鍵作用。以鑭（La）為例，它能夠在合金熔體中作為異質形核核心，增加形核率，從而有效細化初生α-Mg晶粒。這是因為La的原子半徑與Mg存在一定差異，在合金凝固時，La原子可以吸附在Mg原子周圍，降低形核的臨界自由能，使得更多的晶核能夠在熔體中形成，進而細化晶粒。在一些研究中發現，在Mg-Al系合金中添加適量的La后，合金的平均晶粒尺寸從未添加時的幾十微米減小到十幾微米，細化效果明顯。稀土元素與合金中的其他元素形成的化合物，對合金組織也有著重要影響。當稀土元素與Al結合時，會形成高熔點的Al-RE相，如Al??RE?、Al?RE等。這些相在合金中通常呈細小顆粒狀或彌散分布，它們不僅能夠阻礙晶粒的長大，還能在晶界處起到強化作用。在添加稀土元素Nd的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，形成的Al-Nd相能夠有效地阻礙晶界遷移，抑制晶粒的粗化，使合金在凝固過程中保持細小的晶粒結構。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態晶粒有所細化，形成較多彌散分布的細小顆粒狀Al?Nd和少量針狀Al??Nd?，原有的半連續網狀分布的β-Mg??Al??數量有所減少。稀土元素還能對合金中的第二相產生影響，改變其形態和分布。在未添加稀土元素的Mg-Al系合金中，β-Mg??Al??相通常呈連續或半連續的網狀分布于晶界處，這種分布狀態會降低合金的塑性和韌性。當添加稀土元素后，稀土元素可以與Al發生反應，減少β-Mg??Al??相的形成，使其形態和分布發生改變。添加Ce元素后，合金中的β-Mg??Al??相數量減少、變細，且分布更加均勻，從而改善了合金的力學性能。從強化作用的機理來看，稀土元素主要通過固溶強化、彌散強化和細晶強化等方式提高合金的強度。稀土元素在Mg基體中具有一定的固溶度，當稀土元素固溶到Mg基體中時，會引起晶格畸變，增加位錯運動的阻力，從而實現固溶強化。Ce原子固溶于合金α-Mg基體中，會引起晶格畸變，有效阻礙晶體內部的位錯運動，提高合金的強度。彌散分布的Al-RE相等第二相，能夠起到彌散強化的作用。這些第二相在合金中作為位錯運動的障礙，當位錯運動到第二相時，需要繞過或切過這些相，從而增加了位錯運動的阻力，提高了合金的強度。在含稀土元素的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，Al??RE?相和Al?RE相等第二相彌散分布在基體中，顯著提高了合金的強度和硬度。細晶強化也是稀土元素提高合金強度的重要方式。如前文所述，稀土元素能夠細化合金晶粒，根據Hall-Petch公式，材料的強度與晶粒尺寸的平方根成反比，晶粒越細小，晶界面積越大，晶界對變形的阻礙作用越強，從而提高合金的強度。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，通過添加稀土元素細化晶粒后，合金的強度得到了明顯提升。3.1.2其他元素的影響除了稀土元素外，其他合金元素如Zn、Mn等在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中也對合金組織和性能產生著重要影響。Zn在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中具有一定的固溶強化作用。Zn在鎂中的固溶度約為6.2％，且其固溶度隨溫度的降低而顯著減少。當Zn固溶到Mg基體中時，會引起晶格畸變，增加位錯運動的阻力，從而提高合金的強度。在一些Mg-Al-Zn-RE系合金中，適量的Zn添加可以使合金的屈服強度得到提升。Zn的添加量也需要控制在一定范圍內。當Zn含量大于2.5％時，可能會對合金的防腐性能產生負面影響，因為過多的Zn可能會導致合金中形成一些不利于耐蝕性的相或微觀結構。Zn含量過高還可能會增加合金的應力腐蝕敏感性。Mn在鎂合金中具有多種作用。在含鋁的鎂合金中，Mn可以與Fe形成MgFeMn化合物，從而降低Fe對合金性能的不利影響。由于冶煉過程中通常會帶入一定量的Fe，而Fe是鎂合金中的有害元素，會降低合金的耐蝕性，Mn的加入可以有效去除Fe，提高合金的耐蝕性能。Mn還可以與Al結合形成中間相，如AlMn、Al?Mn、Al?Mn、Al?Mn或Al?Mn?等。這些中間相的存在會對合金的組織和性能產生影響。在擠壓鎂合金AM60組織中，AlMn相呈具有規則外形的等軸狀，這些相的存在可以阻礙位錯運動，提高合金的強度和硬度。在一些Mg-Al-Mn-RE系合金中，Mn的加入可以改善合金的焊接性能，這是因為Mn能夠降低合金的熱裂傾向，使焊接過程更加穩定，減少焊接缺陷的產生。3.2鑄造工藝控制3.2.1壓鑄工藝參數優化壓鑄工藝參數對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織和性能有著顯著影響，通過優化這些參數，可以有效提高合金的質量和性能。壓鑄溫度是影響合金組織和性能的重要參數之一。壓鑄溫度主要包括合金液的澆注溫度和模具溫度。合金液的澆注溫度過高，會導致合金液吸氣量增加，在鑄件中形成氣孔等缺陷，同時還會使合金的晶粒長大，降低合金的力學性能。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的研究中發現，當澆注溫度從680℃升高到720℃時，鑄件中的氣孔數量明顯增加，晶粒尺寸也有所增大，合金的抗拉強度和伸長率都出現了下降。澆注溫度過低，合金液的流動性變差，容易產生冷隔、澆不足等缺陷，影響鑄件的成型質量。當澆注溫度低于660℃時，鑄件中出現了明顯的冷隔缺陷，鑄件的完整性和性能受到嚴重影響。模具溫度對合金的凝固過程和組織形態也有重要影響。模具溫度過高，鑄件的冷卻速度減慢，晶粒容易長大，同時還可能導致鑄件脫模困難，表面質量下降。在某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的壓鑄過程中，當模具溫度從200℃升高到250℃時，鑄件的晶粒尺寸增大，表面粗糙度增加。模具溫度過低，鑄件的冷卻速度過快，可能會產生較大的內應力，導致鑄件變形甚至開裂。當模具溫度低于150℃時，鑄件出現了明顯的變形和開裂現象。一般來說，對于Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金，合適的合金液澆注溫度通常在660-700℃之間，模具溫度在180-220℃之間。壓鑄壓力和速度同樣對合金組織和性能起著關鍵作用。壓鑄壓力主要包括壓射比壓和增壓比壓。壓射比壓是指在壓射過程中，作用在合金液上的單位面積壓力，它決定了合金液在模具型腔中的充填速度和充填壓力。增壓比壓是在壓射結束后，為了補充鑄件凝固過程中的體積收縮而施加的額外壓力。壓射比壓過低，合金液無法快速充滿模具型腔，容易產生澆不足、冷隔等缺陷。當壓射比壓為30MPa時，鑄件出現了明顯的澆不足現象。壓射比壓過高，會使合金液在型腔中產生紊流，卷入大量氣體，同時還可能導致模具磨損加劇。當壓射比壓達到60MPa時，鑄件中的氣孔含量明顯增加，模具的使用壽命也縮短。增壓比壓的大小和建壓時間對鑄件的致密度和力學性能有重要影響。增壓比壓不足或建壓時間過晚，鑄件在凝固過程中得不到足夠的補縮，容易產生縮孔、縮松等缺陷。在一些研究中發現，當增壓比壓為40MPa，建壓時間為50ms時，鑄件中出現了較多的縮孔和縮松缺陷，合金的力學性能下降。合適的壓射比壓一般在40-50MPa之間，增壓比壓在60-80MPa之間，建壓時間應控制在20-30ms以內。壓鑄速度包括壓射速度和充填速度。壓射速度是指壓射沖頭推動合金液的速度，充填速度是指合金液在模具型腔中的流動速度。壓鑄速度過快，合金液在型腔中流動時容易產生紊流，卷入大量氣體，同時還可能導致鑄件表面質量下降。當壓射速度達到8m/s時，鑄件表面出現了明顯的流痕和氣孔。壓鑄速度過慢，合金液無法在短時間內充滿模具型腔，容易產生冷隔、澆不足等缺陷。當壓射速度為2m/s時，鑄件出現了冷隔缺陷。對于Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金，合適的壓射速度一般在4-6m/s之間，充填速度應根據鑄件的形狀和壁厚進行調整。3.2.2熱處理工藝熱處理工藝是改善Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金組織和性能的重要手段，常見的熱處理工藝包括固溶處理和時效處理，它們對合金的微觀組織和性能有著不同的改善作用。固溶處理是將合金加熱到高溫單相區，保溫一定時間，使合金中的第二相充分溶解到基體中，然后快速冷卻，獲得過飽和固溶體的過程。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，固溶處理可以顯著改變合金的微觀組織。在未進行固溶處理的合金中，第二相（如Mg??Al??相、Al-RE相）通常以較大尺寸的顆粒狀或網狀分布在α-Mg基體中。經過固溶處理后，這些第二相逐漸溶解到基體中，使基體中的合金元素含量增加，形成過飽和固溶體。在AZ91D-RE系合金中，經過固溶處理后，晶界處連續網狀分布的Mg??Al??相明顯減少，大部分溶解到α-Mg基體中。這種微觀組織的變化對合金的性能產生了多方面的影響。在力學性能方面，固溶處理可以提高合金的強度和塑性。由于第二相溶解到基體中，使基體產生點陣畸變，增加了位錯運動的阻力，從而提高了合金的強度。固溶處理還消除了晶界處連續網狀分布的第二相對基體的割裂作用，使合金在受力時能夠更均勻地發生塑性變形，從而提高了合金的塑性。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，經過固溶處理后，合金的抗拉強度提高了10%-20%，伸長率提高了30%-50%。在耐腐蝕性能方面，固溶處理也有一定的改善作用。未固溶處理的合金中，第二相（如Mg??Al??相）與α-Mg基體之間存在電位差，容易形成腐蝕微電池，加速合金的腐蝕。經過固溶處理后，第二相溶解，減少了腐蝕微電池的形成，從而提高了合金的耐蝕性。在含稀土的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，固溶處理后合金的鹽霧試驗耐腐蝕時間延長了20%-30%。時效處理是將固溶處理后的合金加熱到較低溫度，保溫一定時間，使過飽和固溶體中的溶質原子析出，形成彌散分布的第二相粒子，從而提高合金強度的過程。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，時效處理后會在基體中析出細小彌散的第二相粒子，如Mg??Al??相、Al-RE相的析出物等。在含Nd的Mg-Al-RE系合金中，時效處理后會析出細小的Al-Nd相粒子，這些粒子均勻彌散地分布在α-Mg基體中。時效處理對合金的強度和硬度有顯著的提升作用。彌散分布的第二相粒子可以作為位錯運動的障礙，當位錯運動到第二相粒子時，需要繞過或切過這些粒子，從而增加了位錯運動的阻力，提高了合金的強度和硬度。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，經過時效處理后，合金的屈服強度提高了20%-30%，硬度提高了15%-25%。時效處理對合金的塑性和韌性有一定的影響。在時效初期，由于第二相粒子的彌散強化作用，合金的強度提高，塑性和韌性略有下降。當時效時間過長時，第二相粒子會發生長大和聚集，導致合金的強度下降，塑性和韌性進一步降低。因此，需要合理控制時效時間和溫度，以獲得良好的綜合性能。3.3塑性變形處理3.3.1熱擠壓變形熱擠壓變形是一種重要的塑性加工方法，在改善Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織和性能方面發揮著關鍵作用。熱擠壓過程中，合金在高溫和一定壓力作用下發生塑性變形，這一過程對合金的晶粒細化和組織均勻化有著顯著影響。在熱擠壓過程中，合金受到強烈的剪切應力作用，使得原始粗大的晶粒被破碎。在擠壓應力的作用下，晶粒內部產生大量位錯，這些位錯相互作用、纏結，形成位錯胞。隨著變形的繼續進行，位錯胞逐漸演變為亞晶，亞晶進一步轉動、合并，最終形成細小的等軸晶。在對某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行熱擠壓時，當擠壓溫度為350℃，擠壓比為16時，合金的晶粒尺寸從鑄態的幾十微米減小到十幾微米，晶粒細化效果明顯。熱擠壓變形還能促進合金的動態再結晶過程，這是實現晶粒細化的重要機制之一。動態再結晶是指在熱變形過程中，由于位錯的增殖和運動，當位錯密度達到一定程度時，會發生新晶粒的形核和長大，從而取代原始晶粒的過程。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金熱擠壓過程中，動態再結晶的發生與變形溫度、應變速率和變形程度等因素密切相關。當變形溫度較高、應變速率較低時，有利于動態再結晶的充分進行，從而獲得細小均勻的晶粒組織。在380℃的熱擠壓溫度下，較低的應變速率（如0.01s?1）能使合金充分發生動態再結晶，形成細小的等軸晶組織，平均晶粒尺寸可減小至10μm左右。熱擠壓變形對合金組織均勻化也有重要作用。在壓鑄過程中，由于冷卻速度較快，合金中可能存在成分偏析和組織不均勻的現象。熱擠壓過程中的高溫和塑性變形能夠促進合金元素的擴散，減少成分偏析，使組織更加均勻。在熱擠壓過程中，合金中的第二相（如Mg??Al??相、Al-RE相）也會發生破碎和重新分布，使其更加均勻地彌散在基體中。在含稀土的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，熱擠壓后，原本團聚的Al-RE相被破碎并均勻分布在基體中，提高了合金的綜合性能。熱擠壓變形后的合金，其力學性能得到顯著改善。晶粒細化和組織均勻化使得合金的強度、塑性和韌性都得到提高。細化的晶粒增加了晶界面積，晶界對變形的阻礙作用增強，提高了合金的強度；均勻分布的第二相和細小的晶粒使得合金在受力時能夠更均勻地發生塑性變形，從而提高了塑性和韌性。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，熱擠壓后，合金的抗拉強度提高了20%-30%，伸長率提高了50%-80%。3.3.2軋制變形軋制變形是另一種重要的塑性變形處理方式，對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織結構和性能有著多方面的影響。在軋制過程中，合金受到軋輥的壓力和摩擦力作用，發生塑性變形。這使得合金的組織結構發生顯著變化，晶粒沿軋制方向被拉長，形成纖維狀組織。在對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行軋制時，隨著軋制道次的增加，晶粒的拉長程度逐漸增大，纖維狀組織更加明顯。經過多道次軋制后，合金的晶粒在軋制方向上呈現出明顯的長條狀，而在垂直于軋制方向上則變得扁平。軋制變形過程中，合金內部會產生大量位錯，位錯密度顯著增加。這些位錯的存在會導致合金的加工硬化，使合金的強度和硬度提高。隨著軋制變形量的增大，位錯密度不斷增加，加工硬化程度加劇，合金的強度和硬度進一步提高。當軋制變形量達到30%時，合金的強度和硬度相比軋制前有了顯著提升。軋制變形還會影響合金中第二相的分布。在軋制過程中，第二相粒子會隨著基體的變形而發生破碎和重新分布。原本粗大的第二相粒子被破碎成細小的顆粒，并沿著軋制方向排列，形成帶狀分布。在含Mg??Al??相和Al-RE相的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，軋制后，Mg??Al??相和Al-RE相粒子被破碎，并在基體中呈帶狀分布。這種組織結構的變化對合金的性能產生了重要影響。在力學性能方面，軋制變形使合金在軋制方向上的強度和硬度提高，但塑性和韌性會有所下降。這是因為纖維狀組織和加工硬化使得合金在軋制方向上的變形能力降低，而位錯的存在和第二相的帶狀分布會導致應力集中，降低合金的塑性和韌性。在垂直于軋制方向上，合金的性能也會發生變化，強度和硬度相對較低，塑性和韌性相對較高。通過適當的熱處理工藝，可以改善軋制變形后合金的性能。在軋制后進行再結晶退火處理，可以消除加工硬化，使合金發生靜態再結晶，形成細小均勻的等軸晶組織，從而提高合金的塑性和韌性。在對軋制后的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行再結晶退火后，合金的伸長率提高了30%-50%，強度和硬度雖略有下降，但仍能保持在一定水平，綜合性能得到改善。四、影響Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金組織和性能的因素4.1元素含量與配比在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，合金元素的含量與配比是決定合金組織和性能的關鍵因素之一。不同元素含量的變化以及它們之間的相互比例關系，會對合金的晶體結構、相組成和微觀組織產生顯著影響，進而決定合金的力學性能、耐熱性能、耐蝕性能等。Al元素作為主要合金化元素之一，其含量變化對合金組織和性能有著多方面的影響。當Al含量增加時，合金中Mg??Al??相的數量會相應增多。在AZ91D合金中，由于Al含量相對較高（約9%），晶界處形成大量連續網狀分布的Mg??Al??相。這種相的增多會提高合金的強度和硬度，因為Mg??Al??相在晶界處能夠阻礙位錯運動，增加位錯滑移的阻力。過多的Mg??Al??相呈連續網狀分布在晶界處，會降低合金的塑性和韌性。在受力時，晶界處的Mg??Al??相容易成為裂紋源，裂紋沿著晶界擴展，導致合金過早斷裂。Al含量還會影響合金的鑄造性能，適量的Al含量可以提高合金的流動性，改善鑄造過程中的充型能力，但過高的Al含量可能會導致合金的熱裂傾向增加。稀土元素的含量對合金組織和性能同樣至關重要。以Nd為例，在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態晶粒有所細化，形成較多彌散分布的細小顆粒狀Al?Nd和少量針狀Al??Nd?，原有的半連續網狀分布的β-Mg??Al??數量有所減少，室溫抗拉強度、伸長率和熱導率分別提高了14%、100%和14%。這表明適量的Nd添加可以細化晶粒，改善第二相的分布，從而提高合金的綜合性能。當Nd含量過高時，可能會導致第二相的團聚，降低合金的性能。在一些研究中發現，當Nd含量超過3%時，合金中Al-Nd相出現團聚現象，合金的強度和韌性反而下降。不同稀土元素的配比也會對合金性能產生影響。通過將AE系壓鑄鎂合金中常用的鑭鈰混合稀土調整為純鑭，可改變Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的第二相形貌。使用混合稀土所制的Mg-Al-RE合金中的第二相除了Al??RE?相外，還存在有顆粒狀的Al?RE相，而使用純鑭稀土所制的Mg-Al-La合金中的第二相幾乎都為樹枝狀的Al??RE?相。由于Al??RE?相的耐熱能力優于Al?RE相，故Mg-Al-La合金的耐熱性能優于Mg-Al-RE合金。此外，樹枝狀的Al??RE?相的數密度遠高于顆粒狀的Al?RE相，其對于位錯的阻擋能力更強，使得Mg-Al-La合金的強度也優于Mg-Al-RE合金。除了Al和稀土元素外，其他元素如Zn、Mn、Ca等的含量和配比對合金組織和性能也有影響。Zn在鎂中的固溶度約為6.2％，且其固溶度隨溫度的降低而顯著減少。適量的Zn添加可以使合金的屈服強度得到提升，因為Zn固溶到Mg基體中時，會引起晶格畸變，增加位錯運動的阻力。當Zn含量大于2.5％時，可能會對合金的防腐性能產生負面影響，因為過多的Zn可能會導致合金中形成一些不利于耐蝕性的相或微觀結構。Mn在含鋁的鎂合金中可以與Fe形成MgFeMn化合物，從而降低Fe對合金性能的不利影響，提高合金的耐蝕性能。Mn還可以與Al結合形成中間相，如AlMn、Al?Mn、Al?Mn、Al?Mn或Al?Mn?等，這些中間相的存在會對合金的組織和性能產生影響，如阻礙位錯運動，提高合金的強度和硬度。Ca元素的添加可以提高合金的耐熱性能，Ca可以與Al形成高熔點的化合物，如CaAl?等，這些化合物在高溫下能夠阻礙位錯運動，提高合金的抗變形能力。過多的Ca添加可能會導致合金的脆性增加，因為Ca會降低鎂合金的晶界結合強度，使合金在受力時容易沿晶界斷裂。合金元素之間的相互作用和配比關系也十分重要。在設計Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金成分時，需要綜合考慮各元素的含量和配比，以獲得良好的綜合性能。在一些研究中，通過控制Al、La、Mn等元素的含量和比例，使合金在保證強度和耐熱性的同時，具有較好的塑性和韌性。將Al元素含量控制在4.5-6％，La元素含量控制在4.5-6％，Mn元素含量控制在0.2-0.5％，尤其是同時滿足：0＜Al-(0.7La+2Mn)＜1.2。Al-(0.7La+2Mn)＞0是為了保證Al元素與La元素除了結合成Al??RE?相外，還有少量的Al元素剩余，固溶于鎂基體中，保證了合金的強度，并且蠕變時固溶于鎂基體的Al與Mn元素可結合成AlMn相析出，阻擋位錯運動，提高合金的蠕變性能；Al-(0.7La+2Mn)＜1.2是為了保證Al元素剩余不會過多，否則多余的Al會與Mg結合生成晶界網狀分布的低熔點Mg??Al??相，嚴重損害合金的塑性與降低合金的耐熱能力。4.2冷卻速度冷卻速度是影響Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金凝固過程、晶粒大小和組織形態的關鍵因素之一，其對合金性能的影響也十分顯著。在凝固過程中，冷卻速度對合金的形核和長大過程有著重要影響。當冷卻速度較慢時，合金熔體中的原子有足夠的時間進行擴散和排列，形核率較低，而晶核的長大速度相對較快，容易形成粗大的晶粒。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的研究中發現，在慢速冷卻條件下，初生α-Mg晶粒尺寸較大，晶界較為明顯，且第二相（如Mg??Al??相、Al-RE相）的尺寸也相對較大。這是因為在慢速冷卻過程中，原子的擴散距離較長，晶核生長的時間充足，導致晶粒不斷長大。在砂型鑄造等冷卻速度較慢的工藝中，合金的晶粒尺寸往往較大。隨著冷卻速度的增加，合金熔體中的原子擴散受到限制，形核率顯著提高，而晶核的長大速度相對減緩，從而形成細小的晶粒。在快速冷卻條件下，如壓鑄工藝中，合金的冷卻速度極快，能夠在短時間內產生大量的晶核，這些晶核在生長過程中相互競爭，抑制了晶粒的長大，使得合金的晶粒尺寸明顯減小。在對某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行壓鑄時，由于冷卻速度快，合金的平均晶粒尺寸從砂型鑄造時的幾十微米減小到十幾微米，晶粒細化效果明顯。冷卻速度還會影響合金中第二相的析出和分布。在冷卻速度較慢時，第二相有足夠的時間在晶界處析出和長大，容易形成粗大的第二相顆粒，且分布不均勻。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，當冷卻速度較慢時，Mg??Al??相在晶界處形成粗大的連續或半連續網狀結構，這種結構會降低合金的塑性和韌性。當冷卻速度較快時，第二相的析出受到抑制，其尺寸減小，分布更加均勻。在快速冷卻條件下，Mg??Al??相和Al-RE相等第二相以細小顆粒狀彌散分布在α-Mg基體中，提高了合金的綜合性能。冷卻速度對合金的力學性能也有顯著影響。細小的晶粒和均勻分布的第二相可以提高合金的強度和塑性。細晶粒合金中晶界面積較大，晶界對變形的阻礙作用增強，使得位錯運動更加困難，從而提高了合金的強度。細晶粒合金中裂紋擴展的路徑更加曲折，需要消耗更多的能量，因此韌性也得到提高。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，隨著冷卻速度的增加，合金的抗拉強度和伸長率都得到提高。冷卻速度過快可能會導致合金中產生較大的內應力，甚至出現裂紋等缺陷，從而降低合金的性能。在實際生產中，需要合理控制冷卻速度，以獲得良好的綜合性能。4.3加工工藝參數加工工藝參數對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織和性能有著顯著影響，其中變形溫度和應變速率是兩個關鍵的參數，它們在合金的塑性變形過程中發揮著重要作用。變形溫度對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的動態再結晶行為有著重要影響。動態再結晶是指在熱變形過程中，由于位錯的增殖和運動，當位錯密度達到一定程度時，會發生新晶粒的形核和長大，從而取代原始晶粒的過程。當變形溫度較低時，原子的熱運動能力較弱，位錯的運動和攀移受到限制，動態再結晶難以充分進行。在較低的變形溫度下，合金中的位錯難以通過攀移和交滑移等方式重新排列，位錯的增殖和積累導致加工硬化加劇，而動態再結晶的形核和長大速度較慢，無法及時消除加工硬化，使得合金的變形抗力增大，塑性降低。隨著變形溫度的升高，原子的熱運動能力增強，位錯的運動和攀移變得更加容易，動態再結晶的形核率和長大速度都顯著提高。在較高的變形溫度下，位錯可以更容易地通過攀移和交滑移等方式重新排列，形成亞晶界，進而發展為再結晶晶界，實現動態再結晶。這使得合金中的加工硬化得到有效消除，變形抗力降低，塑性顯著提高。在對某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行熱擠壓時，當變形溫度從300℃升高到350℃時，合金的動態再結晶程度明顯增加，晶粒尺寸顯著減小，伸長率從10%提高到18%。變形溫度還會影響合金的晶粒尺寸和組織均勻性。在較低的變形溫度下，由于動態再結晶不充分，合金的晶粒尺寸較大，且組織均勻性較差。隨著變形溫度的升高，動態再結晶充分進行，合金的晶粒得到細化，組織均勻性得到改善。在380℃的熱擠壓溫度下，合金能夠充分發生動態再結晶，形成細小均勻的等軸晶組織，平均晶粒尺寸可減小至10μm左右。應變速率同樣對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織和性能有著重要影響。當應變速率較低時，位錯有足夠的時間運動和相互作用，動態再結晶能夠充分進行。在低應變速率下，位錯的運動較為緩慢，位錯之間有足夠的時間相互作用、纏結，形成位錯胞和亞晶界，進而發展為再結晶晶界，使得動態再結晶充分進行，合金的組織得到細化，性能得到改善。當應變速率較高時，位錯的運動速度加快，位錯來不及充分運動和相互作用，動態再結晶的形核和長大受到抑制。在高應變速率下，位錯的增殖速度遠大于其運動和相互作用的速度，導致加工硬化迅速加劇，而動態再結晶來不及充分進行，無法有效消除加工硬化，使得合金的變形抗力增大，塑性降低。在對某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進行熱擠壓時，當應變速率從0.01s?1增加到1s?1時，合金的動態再結晶程度明顯降低，晶粒尺寸增大，抗拉強度從300MPa下降到250MPa。應變速率還會影響合金的流變應力。隨著應變速率的增加，合金的流變應力增大。這是因為在高應變速率下，位錯的運動速度加快，位錯密度迅速增加，加工硬化加劇，導致合金的流變應力增大。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的研究中發現，當應變速率從0.001s?1增加到0.1s?1時，合金的流變應力從100MPa增加到200MPa。五、Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織與性能關系5.1微觀組織對力學性能的影響Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的微觀組織特征，如晶粒大小和第二相分布，對其力學性能有著至關重要的影響。晶粒大小是影響合金力學性能的關鍵因素之一。根據Hall-Petch公式，材料的屈服強度與晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越細小，晶界面積越大，晶界對變形的阻礙作用越強，從而提高合金的強度。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，細化晶粒可以顯著提高合金的強度和韌性。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態晶粒有所細化，平均晶粒尺寸從約38μm降至約23μm，室溫抗拉強度從230MPa提高到272MPa，伸長率從6.0%提高到12.0%。這是因為細晶粒合金中，位錯運動到晶界時，受到晶界的阻礙作用更大，需要消耗更多的能量才能繼續運動，從而增加了位錯滑移的阻力，提高了合金的強度。細晶粒合金中裂紋擴展的路徑更加曲折，裂紋在遇到晶界時會發生偏轉、分支，需要消耗更多的能量才能繼續擴展，因此韌性也得到提高。第二相的分布對合金力學性能也有重要影響。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，常見的第二相包括Mg??Al??相、Al-RE相（如Al??RE?、Al?RE等）。這些第二相在合金中的分布狀態不同，對力學性能的影響也不同。當第二相呈連續網狀分布在晶界處時，會降低合金的塑性和韌性。在未添加稀土元素的Mg-Al系合金中，β-Mg??Al??相通常呈連續網狀分布于晶界處，在受力時，晶界處的Mg??Al??相容易成為裂紋源，裂紋沿著晶界擴展，導致合金過早斷裂。當第二相以細小顆粒狀彌散分布在基體中時，能夠提高合金的強度和韌性。在添加稀土元素的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，Al-RE相（如Al?Nd、Al??Nd?等）以細小顆粒狀彌散分布在α-Mg基體中，這些第二相粒子可以作為位錯運動的障礙，當位錯運動到第二相粒子時，需要繞過或切過這些粒子，從而增加了位錯運動的阻力，提高了合金的強度。細小彌散分布的第二相粒子還可以阻礙裂紋的擴展，當裂紋遇到第二相粒子時，會發生偏轉、分支，消耗更多的能量，從而提高合金的韌性。第二相的種類和數量也會影響合金的力學性能。不同種類的第二相具有不同的晶體結構、硬度和熱穩定性，對合金力學性能的影響也不同。Al??RE?相和Al?RE相具有較高的熱穩定性和硬度，能夠提高合金的高溫強度和硬度；而Mg??Al??相的熱穩定性相對較低，在高溫下容易發生軟化，降低合金的高溫性能。第二相的數量過多或過少都不利于合金力學性能的提高。第二相數量過多，會導致合金的脆性增加；第二相數量過少，強化效果不明顯。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，需要合理控制第二相的種類、數量和分布，以獲得良好的綜合力學性能。5.2微觀組織對耐熱性能的影響Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的微觀組織對其耐熱性能有著至關重要的影響，尤其是在高溫服役條件下，微觀組織的特征決定了合金的抗蠕變性能和熱穩定性。在高溫環境中，合金的抗蠕變性能是衡量其耐熱性能的重要指標之一。合金中的第二相，特別是Al-RE相，對提高抗蠕變性能起著關鍵作用。在AE42合金中，稀土元素與Al元素結合生成高熔點的Al??RE?或Al?RE相，這些相在晶界和晶內彌散分布，能夠有效地阻礙位錯運動和晶界滑移，從而提高合金的抗蠕變性能。在200-250℃的高溫下，AE42合金的蠕變性能明顯優于一些不含稀土的Mg-Al系合金，這主要得益于Al-RE相的存在。從微觀機制來看，當合金受到高溫和應力作用時，位錯會在晶體內運動。Al-RE相的存在就像一個個障礙物，位錯在運動過程中遇到這些障礙物時，需要消耗更多的能量才能繞過或切過它們，從而減緩了位錯的運動速度，提高了合金的抗蠕變性能。晶界滑移也是蠕變過程中的一個重要機制。在高溫下，晶界的原子活動性增強，晶界容易發生滑移。Al-RE相在晶界處的分布可以阻礙晶界的滑移，使晶界更加穩定，從而提高合金的抗蠕變性能。合金的熱穩定性與微觀組織的穩定性密切相關。在高溫下，微觀組織中的相可能會發生溶解、長大或轉變，這些變化會影響合金的性能。Al-RE相具有較高的熱穩定性，在高溫下能夠保持其形態和結構的穩定性，從而保證合金的熱穩定性。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，經過高溫長時間服役后，Al-RE相仍然能夠保持細小彌散的分布狀態，沒有發生明顯的溶解或長大，使得合金在高溫下仍能保持較好的力學性能。晶粒大小也對合金的耐熱性能有一定影響。一般來說，細小的晶粒可以提供更多的晶界，晶界在高溫下可以阻礙位錯運動和晶界滑移，從而提高合金的耐熱性能。在熱擠壓變形后的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，由于晶粒細化，合金的高溫抗變形能力得到提高。細小的晶粒也增加了晶界面積，晶界處的原子排列不規則，能量較高，在高溫下容易與外界環境發生作用，可能會對合金的熱穩定性產生一定的負面影響。因此，在提高合金耐熱性能時，需要綜合考慮晶粒大小和第二相分布等因素，以獲得最佳的微觀組織和性能。5.3微觀組織對耐蝕性能的影響Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的微觀組織對其耐蝕性能有著至關重要的影響，在不同的環境下，微觀組織與耐蝕性能之間存在著復雜的關聯。在中性鹽霧環境中，合金的微觀組織特征對耐蝕性能起著關鍵作用。晶粒大小是影響耐蝕性能的重要因素之一，細小的晶粒具有更多的晶界，而晶界處的原子排列較為紊亂，能量較高，容易與外界環境發生作用。在一些研究中發現，當合金晶粒細化時，在中性鹽霧環境下，晶界處更容易形成腐蝕微電池，導致腐蝕加速。如果合金中存在大量的晶界，這些晶界就成為了腐蝕介質侵入的通道，使得合金的腐蝕速率加快。第二相的分布狀態也對耐蝕性能有著顯著影響。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，常見的第二相如Mg??Al??相和Al-RE相，