《Acta Materialia》：改變傳統認識！耐高溫輕質鎂合金重要突破
2022-04-27 11:04:18
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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近年來，民用輕型發動機、航空航天和國防等重點領域一些耐熱構件的設計服役溫度逐漸跨越到250-400°C的范圍，且對高溫和載荷下的服役壽命提出了更高的要求。輕質鋁、鎂合金分別作為次輕和最輕的工程合金材料體系，是400°C以下耐熱構件的優選輕量化材料。然而，鋁、鎂合金熔點只有約500-630°C，且其基體中賴以強化的納米沉淀相在250°C以上高溫和載荷條件下會從幾十至上百納米快速粗化為幾百納米甚至微米量級，導致高溫力學性能和服役壽命急劇下降。
近期，來自英國倫敦布魯內爾大學國家液態金屬工程中心（LiME Hub）和布魯內爾先進凝固科學技術中心（BCAST）的董曦曦博士和合作導師冀守勛教授通過多年探索研究報道了一種在鎂合金中比傳統幾十至上百納米級納米沉淀強化相尺寸更小、數密度更高、抗高溫和應力粗化/蠕變能力更強的革新性鋁基短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結構，與鎂基體共格，克服了傳統納米沉淀強化相在250°C以上高溫和載荷下快速粗化的科學難題，同時改變了長期以來鋁利于鎂液態成形性而不利于其高溫力學性能的傳統認識，實現了鋁對壓鑄鎂合金液態成形能力和高溫力學性能的協同提升調控，并將壓鑄鎂合金高溫服役溫度從120-200°C大幅提升至250-350°C。
相關成果以“On the exceptional creep resistancein a die-cast Gd-containing Mg alloy with Al addition”為題發表在金屬結構材料領域頂級期刊《Acta Materialia》。董曦曦博士為論文第一和通訊作者，冀守勛教授為論文通訊作者。法國Lille大學嵇罡（Gang Ji）研究員為論文主要合作者。BCAST馮凌云博士生、王時豪博士，中南大學楊海林教授等也為研究工作的發表作出貢獻。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117957
據此研發的輕型發動機燃燒室活塞（300-350°C）用深度輕量化高耐熱壓鑄鎂合金在300°C/50MPa工作400小時后鋁基短程序/團簇強化微結構尺寸仍小于10納米，并與鎂基體共格，且300°C/50MPa穩態蠕變速率低至1.35×10-10s-1并可安全服役600小時，抗高溫和應力粗化/蠕變性能幾乎是公開報道鎂合金和鋁合金中最優的。
圖1 輕質鎂合金中抗高溫和應力粗化/蠕變超級短程序/團簇微結構的發現以及據此研發的新型高耐熱壓鑄鎂合金（a,b） 在300°C/50MPa條件下的蠕變性能； （c,d）鎂基體中的高耐熱鋁基短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結構 （c） 蠕變前， （d）300°C/50MPa蠕變400小時后。
圖2 未加Al的對比壓鑄鎂合金中傳統幾十至上百納米級納米沉淀強化相在高溫和應力條件下的粗化演變： （a-c）蠕變前； （d-f） 300°C/50MPa蠕變400小時后。
此項研究大幅提高了輕質鎂合金的抗高溫和應力粗化/蠕變性能，并給出了某些高熱穩定性短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結構在高溫和高應力服役環境下可長期穩定存在的實驗證據，回應了學術和工程界關于短程序/團簇強化微結構在高溫和高應力服役環境下可能不能長期穩定存在的疑問。
圖3 新型高耐熱壓鑄鎂合金（300°C/50MPa蠕變400小時）基體中高耐熱鋁基短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結構的STEM/EDS化學元素富集圖譜。
圖4 新型高耐熱壓鑄鎂合金（300°C/50MPa蠕變400小時）基體中高耐熱鋁基短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結構的原子級分辨率STEM-HAADF圖像：高耐熱鋁基短程序/團簇與鎂基體共格。
此項研究為超耐熱輕質合金設計提供了新的方向，可以預期，高熱穩定性短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結構將會是一種革新性的解決傳統幾十至上百納米級納米沉淀強化相在高溫和應力條件下快速粗化/蠕變科學難題的理論與方法，有望在未來高耐熱-長壽命高溫合金設計中發揮重要作用。
圖5新型高耐熱壓鑄鎂合金（300°C/50MPa蠕變400小時）基體中高密度高耐熱鋁基短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結構對位錯的釘扎作用。
此項研究已申請PCT國際專利，從研發、中試、專利申請到產業化應用歷經多年。研究成果對重點領域高溫服役構件的深度輕量化、耐熱性和壽命提升具有重要科學和工程意義。
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