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

2022-04-27 11:04:18 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

近年來(lái)，民用輕型發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天和國(guó)防等重點(diǎn)領(lǐng)域一些耐熱構(gòu)件的設(shè)計(jì)服役溫度逐漸跨越到250-400°C的范圍，且對(duì)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(diǎn)只有約500-630°C，且其基體中賴以強(qiáng)化的納米沉淀相在250°C以上高溫和載荷條件下會(huì)從幾十至上百納米快速粗化為幾百納米甚至微米量級(jí)，導(dǎo)致高溫力學(xué)性能和服役壽命急劇下降。

近期，來(lái)自英國(guó)倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)國(guó)家液態(tài)金屬工程中心（LiME Hub）和布魯內(nèi)爾先進(jìn)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(guò)多年探索研究報(bào)道了一種在鎂合金中比傳統(tǒng)幾十至上百納米級(jí)納米沉淀強(qiáng)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(qiáng)的革新性鋁基短程序（0-2納米）/團(tuán)簇（2-10納米）強(qiáng)化微結(jié)構(gòu)，與鎂基體共格，克服了傳統(tǒng)納米沉淀強(qiáng)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(shí)改變了長(zhǎng)期以來(lái)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(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了鋁對(duì)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(jí)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(guó)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(shí)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(xiàn)。

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(dòng)機(jī)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(shí)后鋁基短程序/團(tuán)簇強(qiáng)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(shí)，抗高溫和應(yīng)力粗化/蠕變性能幾乎是公開(kāi)報(bào)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(jí)短程序/團(tuán)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(tuán)簇（2-10納米）強(qiáng)化微結(jié)構(gòu) （c）蠕變前，（d）300°C/50MPa蠕變400小時(shí)后。

圖2 未加Al的對(duì)比壓鑄鎂合金中傳統(tǒng)幾十至上百納米級(jí)納米沉淀強(qiáng)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(shí)后。

此項(xiàng)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(tuán)簇（2-10納米）強(qiáng)化微結(jié)構(gòu)在高溫和高應(yīng)力服役環(huán)境下可長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，回應(yīng)了學(xué)術(shù)和工程界關(guān)于短程序/團(tuán)簇強(qiáng)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(zhǎng)期穩(wěn)定存在的疑問(wèn)。

圖3 新型高耐熱壓鑄鎂合金（300°C/50MPa蠕變400小時(shí)）基體中高耐熱鋁基短程序（0-2納米）/團(tuán)簇（2-10納米）強(qiáng)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(shí)）基體中高耐熱鋁基短程序（0-2納米）/團(tuán)簇（2-10納米）強(qiáng)化微結(jié)構(gòu)的原子級(jí)分辨率STEM-HAADF圖像：高耐熱鋁基短程序/團(tuán)簇與鎂基體共格。

此項(xiàng)研究為超耐熱輕質(zhì)合金設(shè)計(jì)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(tuán)簇（2-10納米）強(qiáng)化微結(jié)構(gòu)將會(huì)是一種革新性的解決傳統(tǒng)幾十至上百納米級(jí)納米沉淀強(qiáng)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(lái)高耐熱-長(zhǎng)壽命高溫合金設(shè)計(jì)中發(fā)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(shí)）基體中高密度高耐熱鋁基短程序（0-2納米）/團(tuán)簇（2-10納米）強(qiáng)化微結(jié)構(gòu)對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。

此項(xiàng)研究已申請(qǐng)PCT國(guó)際專利，從研發(fā)、中試、專利申請(qǐng)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用歷經(jīng)多年。研究成果對(duì)重點(diǎn)領(lǐng)域高溫服役構(gòu)件的深度輕量化、耐熱性和壽命提升具有重要科學(xué)和工程意義。

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