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《Acta Materialia》：改變傳統(tǒng)認識！耐高溫輕質(zhì)鎂合金重要突破

2022-04-25 15:09:40 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

近年來，民用輕型發(fā)動機、航空航天和國防等重點領(lǐng)域一些耐熱構(gòu)件的設(shè)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(zhì)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(gòu)件的優(yōu)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(dǎo)致高溫力學(xué)性能和服役壽命急劇下降。

近期，來自英國倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)國家液態(tài)金屬工程中心（LiME Hub）和布魯內(nèi)爾先進凝固科學(xué)技術(shù)中心（BCAST）的董曦曦博士和合作導(dǎo)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(tǒng)幾十至上百納米級納米沉淀強化相尺寸更小、數(shù)密度更高、抗高溫和應(yīng)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(jié)構(gòu)，與鎂基體共格，克服了傳統(tǒng)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(xué)難題，同時改變了長期以來鋁利于鎂液態(tài)成形性而不利于其高溫力學(xué)性能的傳統(tǒng)認識，實現(xiàn)了鋁對壓鑄鎂合金液態(tài)成形能力和高溫力學(xué)性能的協(xié)同提升調(diào)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(guān)成果以“On the exceptional creep resistancein a die-cast Gd-containing Mg alloy with Al addition”為題發(fā)表在金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)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(xué)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(xué)楊海林教授等也為研究工作的發(fā)表作出貢獻。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117957

據(jù)此研發(fā)的輕型發(fā)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(jié)構(gòu)尺寸仍小于10納米，并與鎂基體共格，且300°C/50MPa穩(wěn)態(tài)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(yīng)力粗化/蠕變性能幾乎是公開報道鎂合金和鋁合金中最優(yōu)的。

圖1 輕質(zhì)鎂合金中抗高溫和應(yīng)力粗化/蠕變超級短程序/團簇微結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)以及據(jù)此研發(fā)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(jié)構(gòu) （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(tǒng)幾十至上百納米級納米沉淀強化相在高溫和應(yīng)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(zhì)鎂合金的抗高溫和應(yīng)力粗化/蠕變性能，并給出了某些高熱穩(wěn)定性短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結(jié)構(gòu)在高溫和高應(yīng)力服役環(huán)境下可長期穩(wěn)定存在的實驗證據(jù)，回應(yīng)了學(xué)術(shù)和工程界關(guān)于短程序/團簇強化微結(jié)構(gòu)在高溫和高應(yīng)力服役環(huán)境下可能不能長期穩(wěn)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(jié)構(gòu)的STEM/EDS化學(xué)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(jié)構(gòu)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(zhì)合金設(shè)計提供了新的方向，可以預(yù)期，高熱穩(wěn)定性短程序（0-2納米）/團簇（2-10納米）強化微結(jié)構(gòu)將會是一種革新性的解決傳統(tǒng)幾十至上百納米級納米沉淀強化相在高溫和應(yīng)力條件下快速粗化/蠕變科學(xué)難題的理論與方法，有望在未來高耐熱-長壽命高溫合金設(shè)計中發(fā)揮重要作用。