Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金：組織調(diào)控機(jī)制與性能優(yōu)化策略研究

Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金：組織調(diào)控機(jī)制與性能優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今全球倡導(dǎo)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，輕量化材料的研發(fā)與應(yīng)用成為眾多工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵焦點(diǎn)。在各類輕量化材料中，鎂合金憑借其密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、減震性好、電磁屏蔽性優(yōu)良以及易加工等一系列突出優(yōu)勢(shì)，在汽車、航空航天、電子等行業(yè)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)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(guān)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(chǔ)特性；鋁的加入能夠有效提高合金的強(qiáng)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(qiáng)化作用；而稀土元素的添加則具有獨(dú)特的功效，它們可以細(xì)化合金晶粒，顯著改善合金的微觀組織，進(jìn)而提高合金的室溫及高溫力學(xué)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(diǎn)的Al-Nd相，這些細(xì)小且彌散分布的第二相能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度和耐熱性。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態(tài)晶粒有所細(xì)化，形成較多彌散分布的細(xì)小顆粒狀A(yù)l?Nd和少量針狀A(yù)l??Nd?，原有的半連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg??Al??數(shù)量有所減少，室溫抗拉強(qiáng)度、伸長率和熱導(dǎo)率分別提高了14%、100%和14%。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景極為廣闊。汽車行業(yè)對(duì)輕量化的需求極為迫切，因?yàn)闇p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(jù)相關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體、輪轂、車門框架等關(guān)鍵部件。使用鎂合金材料制造這些部件，能夠在保證部件強(qiáng)度和性能的前提下，顯著減輕部件重量，從而實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化目標(biāo)。以發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為例，采用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金制造，相較于傳統(tǒng)的鑄鐵缸體，重量可減輕30%-50%，同時(shí)還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱性能和工作效率。在航空航天領(lǐng)域，由于對(duì)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(yīng)用價(jià)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(jié)構(gòu)重量對(duì)于提高航空航天器的性能和降低運(yùn)行成本至關(guān)重要。該系合金的低密度和高比強(qiáng)度特性，使其成為制造航空航天器結(jié)構(gòu)件的理想材料之一。例如，在飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身框架等部件中應(yīng)用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金，可以有效減輕飛機(jī)的重量，提高飛機(jī)的燃油效率和航程，同時(shí)還能增強(qiáng)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。然而，目前Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些亟待解決的問題。一方面，合金的絕對(duì)強(qiáng)度和塑性還有提升空間，難以滿足一些對(duì)材料性能要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在一些承受高載荷的汽車零部件中，現(xiàn)有的合金強(qiáng)度和塑性無法完全滿足其使用要求，容易出現(xiàn)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(huán)境下的應(yīng)用。當(dāng)溫度升高時(shí)，合金的力學(xué)性能會(huì)顯著下降，這使得其在發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部件中的應(yīng)用受到限制。因此，對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行組織調(diào)控和性能改進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性。通過對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調(diào)控，可以改變合金的晶粒尺寸、形態(tài)和分布，以及第二相的種類、數(shù)量、尺寸和分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)合金性能的優(yōu)化。例如，采用合適的變質(zhì)處理、熱加工工藝或熱處理工藝，可以細(xì)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(qiáng)度、塑性和韌性。在對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行性能改進(jìn)方面，通過添加微量元素、優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)以及研發(fā)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(yōu)化合金成分中Mg、Al、RE等元素的比例，可以平衡合金的強(qiáng)度、塑性和耐熱性等性能。對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調(diào)控與性能改進(jìn)研究，不僅能夠拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)汽車、航空航天等行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，還能為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。本研究將圍繞Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調(diào)控與性能改進(jìn)展開深入探討，旨在為該系合金的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在國內(nèi)外均受到了廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者圍繞其組織調(diào)控和性能改進(jìn)開展了大量研究工作。在組織調(diào)控方面，國外學(xué)者取得了一系列具有代表性的成果。例如，倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)聯(lián)合法國里爾大學(xué)以及中南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)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(jī)理。結(jié)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(wěn)態(tài)蠕變率，比相應(yīng)的無鋁Mg3.5RE1.5GdMn合金低71%，并且遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)Mg-Al基壓鑄合金。研究發(fā)現(xiàn)，在含Gd的Mg3.5RE1.5GdMnAl合金的Mg基體中加入Al能誘導(dǎo)形成新型熱穩(wěn)定的三元AlMnGd(SRO)/團(tuán)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(cuò)釘扎的高密度AlMnGdSRO/團(tuán)簇。正是Al、Gd和Mn的協(xié)同作用促使了熱穩(wěn)定和抗蠕變的AlMnGdSRO/團(tuán)簇形成，從而顯著改善了抗蠕變性能，顛覆了Al對(duì)Mg合金抗蠕變不利的傳統(tǒng)理解。同時(shí)，在Mg3.5RE1.5GdMnAl合金的晶界處形成Mg12RE相的熱穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，阻礙了位錯(cuò)在晶界上的跨越移動(dòng)，這在實(shí)現(xiàn)Mg3.5RE1.5GdMnAl合金的高抗蠕變性中發(fā)揮了重要作用。在晶界處，Al被Gd束縛形成少數(shù)熱穩(wěn)定的富稀土Al2RE3化合物，且在300℃的高蠕變溫度下不會(huì)降解。國內(nèi)學(xué)者也在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調(diào)控研究中做出了重要貢獻(xiàn)。有學(xué)者在針對(duì)mg-al-re系壓鑄鎂合金的研究中發(fā)現(xiàn)，通過將ae系壓鑄鎂合金中常用的鑭鈰混合稀土調(diào)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(yōu)于al2re相，故mg-al-la合金的耐熱性能優(yōu)于mg-al-re合金。此外，樹枝狀的al11re3相的數(shù)密度遠(yuǎn)高于顆粒狀的al2re相，故其對(duì)于位錯(cuò)的阻擋能力更強(qiáng)，使得mg-al-la合金的強(qiáng)度也優(yōu)于mg-al-re合金。在性能改進(jìn)方面，國外研究注重通過多元合金化和工藝優(yōu)化來提升合金綜合性能。如德國大眾汽車公司對(duì)Beetle發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱材料的研究，早期采用AS41和AS42合金，后來采用改進(jìn)的AE42合金，其在高溫下的蠕變性能得到了進(jìn)一步提高。AE42合金通過添加稀土元素，與Al元素結(jié)合生成高熔點(diǎn)的Al11RE3或Al2RE相，避免了低熔點(diǎn)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(nèi)在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金性能改進(jìn)方面也成果豐碩。有研究在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態(tài)晶粒有所細(xì)化，形成較多彌散分布的細(xì)小顆粒狀A(yù)l2Nd和少量針狀A(yù)l11Nd3，原有的半連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg17Al12數(shù)量有所減少。壓鑄態(tài)AZ91D-1.11Nd合金呈現(xiàn)良好的綜合性能，室溫抗拉強(qiáng)度、伸長率和熱導(dǎo)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(shí)呈現(xiàn)與AZ91D合金相當(dāng)?shù)膬?yōu)異鑄造工藝性能，流動(dòng)長度達(dá)到1161mm。還有研究開發(fā)了一種新型Mg-RE-Al合金，闡釋了合金成分設(shè)計(jì)思路，并研究了合金高溫下的微觀組織、力學(xué)性能變化和相穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)新開發(fā)的Mg-RE-Al合金屈服強(qiáng)度高，在300℃時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)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(wěn)定性。盡管國內(nèi)外在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織調(diào)控與性能改進(jìn)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(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；一些通過組織調(diào)控提高性能的方法，在實(shí)際生產(chǎn)中可能因工藝參數(shù)難以精確控制而受到限制；對(duì)于合金在復(fù)雜服役環(huán)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(xù)的研究提供了方向和挑戰(zhàn)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容合金成分設(shè)計(jì)與優(yōu)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(duì)合金微觀組織和性能的影響規(guī)律。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)一系列不同成分的合金配方，并利用熱力學(xué)軟件對(duì)合金的相組成、凝固過程進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)合金的組織和性能，從而篩選出具有潛在優(yōu)異性能的合金成分，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。例如，在研究稀土元素Nd對(duì)合金性能的影響時(shí)，設(shè)計(jì)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(duì)基體晶粒細(xì)化的作用，以及對(duì)合金室溫及高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律。組織調(diào)控機(jī)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(tǒng)研究合金在凝固過程中的組織演變機(jī)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(diǎn)探究不同的變質(zhì)處理（如添加稀土變質(zhì)劑）、熱加工工藝（如擠壓、鍛造）以及熱處理工藝（如固溶處理、時(shí)效處理）對(duì)合金微觀組織的調(diào)控作用，明確組織調(diào)控與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。以變質(zhì)處理為例，研究添加不同種類和含量的稀土變質(zhì)劑后，合金中初生α-Mg晶粒的細(xì)化程度、第二相的形態(tài)和分布變化，以及這些微觀組織變化如何影響合金的強(qiáng)度、塑性和韌性。性能改進(jìn)與評(píng)價(jià)：全面測(cè)試優(yōu)化后的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的各項(xiàng)性能，包括室溫及高溫力學(xué)性能（如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、硬度、沖擊韌性等）、耐腐蝕性能（如鹽霧試驗(yàn)、電化學(xué)腐蝕測(cè)試）、耐熱性能（如熱膨脹系數(shù)、高溫蠕變性能）等。對(duì)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(guān)鍵因素，建立合金成分-組織-性能之間的定量關(guān)系模型，為合金的性能改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。例如，通過高溫蠕變?cè)囼?yàn)，研究不同溫度和應(yīng)力條件下合金的蠕變行為，分析合金中第二相的熱穩(wěn)定性、晶界結(jié)構(gòu)等因素對(duì)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(yōu)化：研究壓鑄過程中的工藝參數(shù)（如壓鑄溫度、壓鑄壓力、保壓時(shí)間、模具溫度等）對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金鑄件質(zhì)量和性能的影響。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法，優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，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(shí)現(xiàn)合金性能與壓鑄工藝的協(xié)同優(yōu)化，為Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供工藝支持。例如，通過正交試驗(yàn)研究壓鑄溫度（680℃、700℃、720℃）、壓鑄壓力（30MPa、35MPa、40MPa）、保壓時(shí)間（3s、5s、7s）三個(gè)因素對(duì)鑄件抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響，找出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法合金熔煉與制備：采用電阻爐或感應(yīng)爐進(jìn)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(hù)性氣體（如Ar或CO?+SF?混合氣體）氛圍下進(jìn)行熔煉，確保合金成分均勻。熔煉過程中嚴(yán)格控制溫度、熔煉時(shí)間和攪拌速度等參數(shù)，以獲得高質(zhì)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(cè)試試樣。微觀組織分析：利用金相顯微鏡對(duì)合金的金相組織進(jìn)行觀察，分析晶粒尺寸、形態(tài)和分布；采用掃描電子顯微鏡結(jié)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(jié)構(gòu)、位錯(cuò)組態(tài)以及第二相的精細(xì)結(jié)構(gòu)，深入揭示合金的微觀組織特征。性能測(cè)試：使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫及高溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)定合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率；采用硬度計(jì)測(cè)試合金的硬度；通過沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，評(píng)價(jià)合金的沖擊韌性；利用鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，用電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測(cè)試，評(píng)估合金的耐腐蝕性能；采用熱膨脹儀測(cè)量合金的熱膨脹系數(shù)，利用高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行高溫蠕變?cè)囼?yàn)，研究合金的耐熱性能。壓鑄工藝試驗(yàn)：在冷室壓鑄機(jī)或熱室壓鑄機(jī)上進(jìn)行壓鑄工藝試驗(yàn)，通過改變壓鑄溫度、壓鑄壓力、保壓時(shí)間、模具溫度等工藝參數(shù)，制備出不同工藝條件下的壓鑄試樣。對(duì)試樣進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括外觀檢查、尺寸測(cè)量、內(nèi)部缺陷檢測(cè)（如X射線探傷、超聲波探傷）等，分析工藝參數(shù)對(duì)鑄件質(zhì)量和性能的影響。數(shù)值模擬方法合金凝固過程模擬：運(yùn)用ProCAST、MAGMAsoft等鑄造模擬軟件，對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的凝固過程進(jìn)行數(shù)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(shù)以及壓鑄工藝參數(shù)等，模擬合金在凝固過程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)鑄件中的縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生位置和大小，為優(yōu)化壓鑄工藝和模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。熱加工過程模擬：利用Deform、MSC.SuperForm等熱加工模擬軟件，對(duì)合金的熱擠壓、鍛造等熱加工過程進(jìn)行模擬分析。模擬熱加工過程中合金的應(yīng)力、應(yīng)變分布，預(yù)測(cè)材料的流動(dòng)行為和微觀組織演變，優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)，提高熱加工產(chǎn)品的質(zhì)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(dú)特的成分設(shè)計(jì)，展現(xiàn)出一系列優(yōu)異的性能，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著重要地位。在成分構(gòu)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(duì)重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景中具有顯著優(yōu)勢(shì)。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(qiáng)度和硬度，還能在一定程度上改善合金的鑄造性能。當(dāng)鋁含量增加時(shí)，合金中Mg??Al??相的數(shù)量會(huì)相應(yīng)增多，合金的強(qiáng)度和硬度會(huì)得到提升，但同時(shí)塑性可能會(huì)有所下降。稀土元素在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中起著至關(guān)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(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，能夠細(xì)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(diǎn)的Al-Nd相，這些細(xì)小且彌散分布的第二相能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度和耐熱性。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態(tài)晶粒有所細(xì)化，形成較多彌散分布的細(xì)小顆粒狀A(yù)l?Nd和少量針狀A(yù)l??Nd?，原有的半連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg??Al??數(shù)量有所減少，室溫抗拉強(qiáng)度、伸長率和熱導(dǎo)率分別提高了14%、100%和14%。根據(jù)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(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)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(jié)合生成高熔點(diǎn)的Al??RE?或Al?RE相，從而避免了低熔點(diǎn)的Mg??Al??相的大量形成，不僅提高了合金的塑性，還增強(qiáng)了合金的耐熱能力。AE44合金的塑性可達(dá)16％以上，是目前壓鑄鎂合金中綜合力學(xué)性能較為優(yōu)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(diào)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(diào)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(yōu)于Al?RE相，故Mg-Al-La合金的耐熱性能優(yōu)于Mg-Al-RE合金。此外，樹枝狀的Al??RE?相的數(shù)密度遠(yuǎn)高于顆粒狀的Al?RE相，其對(duì)于位錯(cuò)的阻擋能力更強(qiáng)，使得Mg-Al-La合金的強(qiáng)度也優(yōu)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(diǎn)。在力學(xué)性能方面，其比強(qiáng)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(jié)構(gòu)的重量。這一特性使其在航空航天、汽車等對(duì)材料輕量化要求較高的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在航空航天器中，減輕結(jié)構(gòu)重量可以提高飛行性能和降低運(yùn)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(dòng)能量，減少震動(dòng)對(duì)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的影響。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等部件中應(yīng)用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)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(dòng)性，能夠在壓鑄過程中快速填充模具型腔，形成復(fù)雜形狀的鑄件。其凝固收縮率相對(duì)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(zhì)量。在制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時(shí)，良好的鑄造性能可以保證鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在汽車工業(yè)中，它被大量用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體、輪轂、車門框架等零部件。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體采用Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金制造，相較于傳統(tǒng)的鑄鐵缸體，重量可減輕30%-50%，同時(shí)還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)效率。在航空航天領(lǐng)域，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金可用于制造飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身框架、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。機(jī)翼采用該系合金制造，可以有效減輕飛機(jī)的重量，提高飛機(jī)的燃油效率和航程；發(fā)動(dòng)機(jī)部件使用該系合金，能夠在高溫環(huán)境下保持較好的力學(xué)性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和性能。在電子領(lǐng)域，該系合金常用于制造電子設(shè)備的外殼，如手機(jī)、筆記本電腦等。其良好的電磁屏蔽性可以有效阻擋電子設(shè)備內(nèi)部的電磁干擾，保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行；同時(shí)，其輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)也符合電子設(shè)備輕量化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)。2.2合金的組織結(jié)構(gòu)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織結(jié)構(gòu)對(duì)其性能起著至關(guān)重要的作用，深入了解其晶體結(jié)構(gòu)、相組成和微觀組織特征，有助于揭示合金性能差異的內(nèi)在原因，為合金的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的基體為密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)的α-Mg。這種晶體結(jié)構(gòu)具有較低的對(duì)稱性，其滑移系相對(duì)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(yīng)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(duì)較差。當(dāng)受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)在基面上運(yùn)動(dòng)，通過位錯(cuò)的滑移和交割實(shí)現(xiàn)塑性變形。由于滑移系有限，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)容易受到阻礙，導(dǎo)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(fù)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(qiáng)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(guān)。當(dāng)Al含量較高時(shí)，會(huì)形成較多的Mg??Al??相，通常呈連續(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)狀分布于α-Mg晶界處。在AZ91D合金中，由于Al含量相對(duì)較高，晶界處存在大量連續(xù)網(wǎng)狀分布的Mg??Al??相。這種相的存在對(duì)合金性能有顯著影響，它可以提高合金的強(qiáng)度和硬度，因?yàn)榫Ы缣幍腗g??Al??相能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加位錯(cuò)滑移的阻力。由于其呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，會(huì)降低合金的塑性和韌性，因?yàn)樵谑芰r(shí)，晶界處的Mg??Al??相容易成為裂紋源，裂紋沿著晶界擴(kuò)展，導(dǎo)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(tài)與所添加的稀土元素種類和含量有關(guān)。以鑭（La）、鈰（Ce）、釹（Nd）等稀土元素為例，它們與Al元素結(jié)合可以形成高熔點(diǎn)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(wěn)定性和硬度，它們?cè)诤辖鹬兄饕鸬郊?xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用。細(xì)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(xì)化，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性。這些相還可以作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到Al-RE相時(shí)，需要繞過或切過這些相，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高了合金的強(qiáng)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(tài)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(xì)小。晶粒尺寸對(duì)合金性能有著重要影響，一般來說，晶粒越細(xì)小，合金的強(qiáng)度和韌性越高。這是因?yàn)榧?xì)晶粒合金中晶界面積較大，晶界對(duì)變形的阻礙作用增強(qiáng)，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，從而提高了合金的強(qiáng)度；同時(shí)，細(xì)晶粒合金中裂紋擴(kuò)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(zhì)處理手段，可以進(jìn)一步細(xì)化合金晶粒。稀土元素在凝固過程中可以作為異質(zhì)形核核心，增加形核率，從而細(xì)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(xì)化晶粒，提高合金的室溫及高溫力學(xué)性能。第二相在α-Mg基體中的分布狀態(tài)對(duì)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(fā)揮其強(qiáng)化作用，提高合金的綜合性能。如果第二相分布不均勻，出現(xiàn)團(tuán)聚或偏析現(xiàn)象，會(huì)降低合金的性能。當(dāng)?shù)诙鄨F(tuán)聚時(shí)，會(huì)在局部區(qū)域形成應(yīng)力集中點(diǎn)，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低合金的強(qiáng)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(dāng)或熔煉工藝不合理，可能會(huì)導(dǎo)致Al-RE相團(tuán)聚，從而降低合金的性能。2.3合金的性能特點(diǎn)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金憑借其獨(dú)特的成分和組織結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出一系列顯著的性能特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，如同任何材料一樣，它也存在一定的優(yōu)勢(shì)與不足。2.3.1力學(xué)性能Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，這是其在輕量化應(yīng)用中備受青睞的重要原因之一。比強(qiáng)度是材料的強(qiáng)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(qiáng)度和剛度的前提下，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金能夠有效減輕結(jié)構(gòu)件的重量。在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身框架等部件采用該系合金制造，可以在不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的情況下，顯著減輕飛機(jī)重量，提高燃油效率和航程。在汽車工業(yè)中，使用該系合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度和塑性與合金成分、微觀組織密切相關(guān)。鋁元素的加入可以提高合金的強(qiáng)度，其與鎂形成的Mg??Al??相在晶界處起到強(qiáng)化作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)Al含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，合金的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)提高。在AZ91D合金中，較高含量的Al使得晶界處形成較多連續(xù)網(wǎng)狀分布的Mg??Al??相，合金的強(qiáng)度得到顯著提升，其室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)230MPa左右。過多的Mg??Al??相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界處，會(huì)降低合金的塑性，使合金在受力時(shí)容易沿晶界產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致斷裂。稀土元素的添加對(duì)合金的室溫力學(xué)性能有著重要影響。稀土元素可以細(xì)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(qiáng)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(xì)化晶粒，形成較多彌散分布的細(xì)小顆粒狀A(yù)l?Nd和少量針狀A(yù)l??Nd?，原有的半連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg??Al??數(shù)量有所減少，室溫抗拉強(qiáng)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(qiáng)度提高了14%，達(dá)到272MPa，伸長率提高了100%，達(dá)到12.0%。在高溫環(huán)境下，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化。隨著溫度的升高，合金的強(qiáng)度和硬度會(huì)逐漸下降，塑性會(huì)有所增加。這是因?yàn)楦邷叵略拥臒徇\(yùn)動(dòng)加劇，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加容易，晶界的阻礙作用減弱，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度降低。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，合金中的第二相可能會(huì)發(fā)生溶解或長大，進(jìn)一步影響合金的力學(xué)性能。在200℃時(shí)，一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的抗拉強(qiáng)度可能會(huì)下降到室溫時(shí)的60%-70%。合金的高溫力學(xué)性能與第二相的熱穩(wěn)定性密切相關(guān)。Al-RE相具有較高的熱穩(wěn)定性，在高溫下能夠保持其形態(tài)和分布，繼續(xù)發(fā)揮強(qiáng)化作用，從而提高合金的高溫強(qiáng)度。如Al??RE?相和Al?RE相在高溫下較為穩(wěn)定，能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，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(shí)仍能保持一定的強(qiáng)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(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵性能指標(biāo)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(shù)量和分布對(duì)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(wěn)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(diǎn)的Al-RE相可以在晶界和晶內(nèi)彌散分布，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，即材料在恒定應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的延長而緩慢發(fā)生塑性變形的現(xiàn)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(yīng)力等因素密切相關(guān)。通過添加稀土元素形成熱穩(wěn)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(jié)合生成高熔點(diǎn)的Al??RE?或Al?RE相，避免了低熔點(diǎn)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(yīng)力對(duì)合金的蠕變行為有著顯著影響。隨著溫度的升高和應(yīng)力的增大，合金的蠕變速率會(huì)加快，蠕變變形量會(huì)增大。在高溫和高應(yīng)力條件下，合金中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加劇烈，晶界滑移更容易發(fā)生，導(dǎo)致蠕變加速。當(dāng)溫度從200℃升高到250℃，應(yīng)力從50MPa增加到70MPa時(shí)，一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的蠕變速率可能會(huì)增加數(shù)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(yōu)勢(shì)。其密度低，在對(duì)重量有嚴(yán)格要求的高溫應(yīng)用場(chǎng)景中，具有明顯的輕量化優(yōu)勢(shì)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一些非關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。該系合金的成本相對(duì)較低，在一些對(duì)成本敏感的高溫應(yīng)用領(lǐng)域，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎn)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(duì)耐熱性能要求極高的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)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(shí)際應(yīng)用的重要因素之一。鎂的化學(xué)活性較高，在自然環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕，這在一定程度上限制了鎂合金的應(yīng)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(zhì)元素，如Fe、Ni、Cu等，會(huì)顯著降低合金的耐蝕性能。這些雜質(zhì)元素在合金中會(huì)形成微電池，加速腐蝕過程。當(dāng)合金中Fe含量超過一定限度時(shí)，會(huì)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(gòu)成腐蝕微電池，導(dǎo)致鎂基體加速腐蝕。嚴(yán)格控制合金中的雜質(zhì)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(duì)合金的耐蝕性能有積極影響。稀土元素可以細(xì)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(hù)作用，阻止腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步侵蝕合金基體。在含稀土的AE42合金中，其鹽霧試驗(yàn)的耐蝕性已超過壓鑄鋁合金A380，遠(yuǎn)好于低碳鋼。在不同的腐蝕環(huán)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(huán)境中，合金主要發(fā)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕過程中會(huì)在合金表面形成腐蝕產(chǎn)物膜，隨著腐蝕時(shí)間的延長，腐蝕產(chǎn)物膜逐漸增厚，當(dāng)膜破裂時(shí)，會(huì)加速合金的腐蝕。在酸性環(huán)境中，合金會(huì)與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，加速合金的溶解腐蝕。在堿性環(huán)境中，合金的腐蝕速率相對(duì)較慢，但在某些條件下，也會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。與其他常用合金的耐蝕性能對(duì)比，Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的耐蝕性能優(yōu)于低碳鋼，在嚴(yán)格控制雜質(zhì)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(duì)耐蝕性要求極高的海洋環(huán)境和化工領(lǐng)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(diào)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(duì)合金組織具有顯著的細(xì)化和強(qiáng)化作用，其作用機(jī)理涉及多個(gè)方面。從細(xì)化晶粒的角度來看，稀土元素在合金凝固過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以鑭（La）為例，它能夠在合金熔體中作為異質(zhì)形核核心，增加形核率，從而有效細(xì)化初生α-Mg晶粒。這是因?yàn)長a的原子半徑與Mg存在一定差異，在合金凝固時(shí)，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(jìn)而細(xì)化晶粒。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，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(shí)的幾十微米減小到十幾微米，細(xì)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(duì)合金組織也有著重要影響。當(dāng)稀土元素與Al結(jié)合時(shí)，會(huì)形成高熔點(diǎn)的Al-RE相，如Al??RE?、Al?RE等。這些相在合金中通常呈細(xì)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(qiáng)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(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態(tài)晶粒有所細(xì)化，形成較多彌散分布的細(xì)小顆粒狀A(yù)l?Nd和少量針狀A(yù)l??Nd?，原有的半連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg??Al??數(shù)量有所減少。稀土元素還能對(duì)合金中的第二相產(chǎn)生影響，改變其形態(tài)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(xù)或半連續(xù)的網(wǎng)狀分布于晶界處，這種分布狀態(tài)會(huì)降低合金的塑性和韌性。當(dāng)添加稀土元素后，稀土元素可以與Al發(fā)生反應(yīng)，減少β-Mg??Al??相的形成，使其形態(tài)和分布發(fā)生改變。添加Ce元素后，合金中的β-Mg??Al??相數(shù)量減少、變細(xì)，且分布更加均勻，從而改善了合金的力學(xué)性能。從強(qiáng)化作用的機(jī)理來看，稀土元素主要通過固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等方式提高合金的強(qiáng)度。稀土元素在Mg基體中具有一定的固溶度，當(dāng)稀土元素固溶到Mg基體中時(shí)，會(huì)引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化。Ce原子固溶于合金α-Mg基體中，會(huì)引起晶格畸變，有效阻礙晶體內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度。彌散分布的Al-RE相等第二相，能夠起到彌散強(qiáng)化的作用。這些第二相在合金中作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到第二相時(shí)，需要繞過或切過這些相，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高了合金的強(qiáng)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(qiáng)度和硬度。細(xì)晶強(qiáng)化也是稀土元素提高合金強(qiáng)度的重要方式。如前文所述，稀土元素能夠細(xì)化合金晶粒，根據(jù)Hall-Petch公式，材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，晶界對(duì)變形的阻礙作用越強(qiáng)，從而提高合金的強(qiáng)度。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，通過添加稀土元素細(xì)化晶粒后，合金的強(qiáng)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(duì)合金組織和性能產(chǎn)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(qiáng)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(dāng)Zn固溶到Mg基體中時(shí)，會(huì)引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高合金的強(qiáng)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(qiáng)度得到提升。Zn的添加量也需要控制在一定范圍內(nèi)。當(dāng)Zn含量大于2.5％時(shí)，可能會(huì)對(duì)合金的防腐性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)檫^多的Zn可能會(huì)導(dǎo)致合金中形成一些不利于耐蝕性的相或微觀結(jié)構(gòu)。Zn含量過高還可能會(huì)增加合金的應(yīng)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(duì)合金性能的不利影響。由于冶煉過程中通常會(huì)帶入一定量的Fe，而Fe是鎂合金中的有害元素，會(huì)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(jié)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(huì)對(duì)合金的組織和性能產(chǎn)生影響。在擠壓鎂合金AM60組織中，AlMn相呈具有規(guī)則外形的等軸狀，這些相的存在可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)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?yàn)镸n能夠降低合金的熱裂傾向，使焊接過程更加穩(wěn)定，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。3.2鑄造工藝控制3.2.1壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織和性能有著顯著影響，通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以有效提高合金的質(zhì)量和性能。壓鑄溫度是影響合金組織和性能的重要參數(shù)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(huì)導(dǎo)致合金液吸氣量增加，在鑄件中形成氣孔等缺陷，同時(shí)還會(huì)使合金的晶粒長大，降低合金的力學(xué)性能。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)澆注溫度從680℃升高到720℃時(shí)，鑄件中的氣孔數(shù)量明顯增加，晶粒尺寸也有所增大，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率都出現(xiàn)了下降。澆注溫度過低，合金液的流動(dòng)性變差，容易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷，影響鑄件的成型質(zhì)量。當(dāng)澆注溫度低于660℃時(shí)，鑄件中出現(xiàn)了明顯的冷隔缺陷，鑄件的完整性和性能受到嚴(yán)重影響。模具溫度對(duì)合金的凝固過程和組織形態(tài)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(shí)還可能導(dǎo)致鑄件脫模困難，表面質(zhì)量下降。在某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的壓鑄過程中，當(dāng)模具溫度從200℃升高到250℃時(shí)，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(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鑄件變形甚至開裂。當(dāng)模具溫度低于150℃時(shí)，鑄件出現(xiàn)了明顯的變形和開裂現(xiàn)象。一般來說，對(duì)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(duì)合金組織和性能起著關(guān)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(jié)束后，為了補(bǔ)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(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。當(dāng)壓射比壓為30MPa時(shí)，鑄件出現(xiàn)了明顯的澆不足現(xiàn)象。壓射比壓過高，會(huì)使合金液在型腔中產(chǎn)生紊流，卷入大量氣體，同時(shí)還可能導(dǎo)致模具磨損加劇。當(dāng)壓射比壓達(dá)到60MPa時(shí)，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(shí)間對(duì)鑄件的致密度和力學(xué)性能有重要影響。增壓比壓不足或建壓時(shí)間過晚，鑄件在凝固過程中得不到足夠的補(bǔ)縮，容易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增壓比壓為40MPa，建壓時(shí)間為50ms時(shí)，鑄件中出現(xiàn)了較多的縮孔和縮松缺陷，合金的力學(xué)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(shí)間應(yīng)控制在20-30ms以內(nèi)。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(dòng)合金液的速度，充填速度是指合金液在模具型腔中的流動(dòng)速度。壓鑄速度過快，合金液在型腔中流動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生紊流，卷入大量氣體，同時(shí)還可能導(dǎo)致鑄件表面質(zhì)量下降。當(dāng)壓射速度達(dá)到8m/s時(shí)，鑄件表面出現(xiàn)了明顯的流痕和氣孔。壓鑄速度過慢，合金液無法在短時(shí)間內(nèi)充滿模具型腔，容易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。當(dāng)壓射速度為2m/s時(shí)，鑄件出現(xiàn)了冷隔缺陷。對(duì)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(yīng)根據(jù)鑄件的形狀和壁厚進(jìn)行調(diào)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(shí)效處理，它們對(duì)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(qū)，保溫一定時(shí)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(jìn)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(wǎng)狀分布在α-Mg基體中。經(jīng)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(jīng)過固溶處理后，晶界處連續(xù)網(wǎng)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(duì)合金的性能產(chǎn)生了多方面的影響。在力學(xué)性能方面，固溶處理可以提高合金的強(qiáng)度和塑性。由于第二相溶解到基體中，使基體產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。固溶處理還消除了晶界處連續(xù)網(wǎng)狀分布的第二相對(duì)基體的割裂作用，使合金在受力時(shí)能夠更均勻地發(fā)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(jīng)過固溶處理后，合金的抗拉強(qiáng)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(jīng)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(yàn)?zāi)透g時(shí)間延長了20%-30%。時(shí)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(shí)間，使過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子析出，形成彌散分布的第二相粒子，從而提高合金強(qiáng)度的過程。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，時(shí)效處理后會(huì)在基體中析出細(xì)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(shí)效處理后會(huì)析出細(xì)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(shí)效處理對(duì)合金的強(qiáng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到第二相粒子時(shí)，需要繞過或切過這些粒子，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高了合金的強(qiáng)度和硬度。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，經(jīng)過時(shí)效處理后，合金的屈服強(qiáng)度提高了20%-30%，硬度提高了15%-25%。時(shí)效處理對(duì)合金的塑性和韌性有一定的影響。在時(shí)效初期，由于第二相粒子的彌散強(qiáng)化作用，合金的強(qiáng)度提高，塑性和韌性略有下降。當(dāng)時(shí)效時(shí)間過長時(shí)，第二相粒子會(huì)發(fā)生長大和聚集，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度下降，塑性和韌性進(jìn)一步降低。因此，需要合理控制時(shí)效時(shí)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(fā)揮著關(guān)鍵作用。熱擠壓過程中，合金在高溫和一定壓力作用下發(fā)生塑性變形，這一過程對(duì)合金的晶粒細(xì)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(qiáng)烈的剪切應(yīng)力作用，使得原始粗大的晶粒被破碎。在擠壓應(yīng)力的作用下，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò)，這些位錯(cuò)相互作用、纏結(jié)，形成位錯(cuò)胞。隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，位錯(cuò)胞逐漸演變?yōu)閬喚?，亞晶進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)、合并，最終形成細(xì)小的等軸晶。在對(duì)某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行熱擠壓時(shí)，當(dāng)擠壓溫度為350℃，擠壓比為16時(shí)，合金的晶粒尺寸從鑄態(tài)的幾十微米減小到十幾微米，晶粒細(xì)化效果明顯。熱擠壓變形還能促進(jìn)合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，這是實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的重要機(jī)制之一。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是指在熱變形過程中，由于位錯(cuò)的增殖和運(yùn)動(dòng)，當(dāng)位錯(cuò)密度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)發(fā)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生與變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度等因素密切相關(guān)。當(dāng)變形溫度較高、應(yīng)變速率較低時(shí)，有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的充分進(jìn)行，從而獲得細(xì)小均勻的晶粒組織。在380℃的熱擠壓溫度下，較低的應(yīng)變速率（如0.01s?1）能使合金充分發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)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(duì)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(xiàn)象。熱擠壓過程中的高溫和塑性變形能夠促進(jìn)合金元素的擴(kuò)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(huì)發(fā)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(tuán)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(xué)性能得到顯著改善。晶粒細(xì)化和組織均勻化使得合金的強(qiáng)度、塑性和韌性都得到提高。細(xì)化的晶粒增加了晶界面積，晶界對(duì)變形的阻礙作用增強(qiáng)，提高了合金的強(qiáng)度；均勻分布的第二相和細(xì)小的晶粒使得合金在受力時(shí)能夠更均勻地發(fā)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(qiáng)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(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織結(jié)構(gòu)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(fā)生塑性變形。這使得合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，晶粒沿軋制方向被拉長，形成纖維狀組織。在對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行軋制時(shí)，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(jīng)過多道次軋制后，合金的晶粒在軋制方向上呈現(xiàn)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(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，位錯(cuò)密度顯著增加。這些位錯(cuò)的存在會(huì)導(dǎo)致合金的加工硬化，使合金的強(qiáng)度和硬度提高。隨著軋制變形量的增大，位錯(cuò)密度不斷增加，加工硬化程度加劇，合金的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步提高。當(dāng)軋制變形量達(dá)到30%時(shí)，合金的強(qiáng)度和硬度相比軋制前有了顯著提升。軋制變形還會(huì)影響合金中第二相的分布。在軋制過程中，第二相粒子會(huì)隨著基體的變形而發(fā)生破碎和重新分布。原本粗大的第二相粒子被破碎成細(xì)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(jié)構(gòu)的變化對(duì)合金的性能產(chǎn)生了重要影響。在力學(xué)性能方面，軋制變形使合金在軋制方向上的強(qiáng)度和硬度提高，但塑性和韌性會(huì)有所下降。這是因?yàn)槔w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(cuò)的存在和第二相的帶狀分布會(huì)導(dǎo)致應(yīng)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(huì)發(fā)生變化，強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低，塑性和韌性相對(duì)較高。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以改善軋制變形后合金的性能。在軋制后進(jìn)行再結(jié)晶退火處理，可以消除加工硬化，使合金發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小均勻的等軸晶組織，從而提高合金的塑性和韌性。在對(duì)軋制后的Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行再結(jié)晶退火后，合金的伸長率提高了30%-50%，強(qiáng)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(guān)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(guān)系，會(huì)對(duì)合金的晶體結(jié)構(gòu)、相組成和微觀組織產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而決定合金的力學(xué)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(duì)合金組織和性能有著多方面的影響。當(dāng)Al含量增加時(shí)，合金中Mg??Al??相的數(shù)量會(huì)相應(yīng)增多。在AZ91D合金中，由于Al含量相對(duì)較高（約9%），晶界處形成大量連續(xù)網(wǎng)狀分布的Mg??Al??相。這種相的增多會(huì)提高合金的強(qiáng)度和硬度，因?yàn)镸g??Al??相在晶界處能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加位錯(cuò)滑移的阻力。過多的Mg??Al??相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界處，會(huì)降低合金的塑性和韌性。在受力時(shí)，晶界處的Mg??Al??相容易成為裂紋源，裂紋沿著晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致合金過早斷裂。Al含量還會(huì)影響合金的鑄造性能，適量的Al含量可以提高合金的流動(dòng)性，改善鑄造過程中的充型能力，但過高的Al含量可能會(huì)導(dǎo)致合金的熱裂傾向增加。稀土元素的含量對(duì)合金組織和性能同樣至關(guān)重要。以Nd為例，在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態(tài)晶粒有所細(xì)化，形成較多彌散分布的細(xì)小顆粒狀A(yù)l?Nd和少量針狀A(yù)l??Nd?，原有的半連續(xù)網(wǎng)狀分布的β-Mg??Al??數(shù)量有所減少，室溫抗拉強(qiáng)度、伸長率和熱導(dǎo)率分別提高了14%、100%和14%。這表明適量的Nd添加可以細(xì)化晶粒，改善第二相的分布，從而提高合金的綜合性能。當(dāng)Nd含量過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致第二相的團(tuán)聚，降低合金的性能。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nd含量超過3%時(shí)，合金中Al-Nd相出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，合金的強(qiáng)度和韌性反而下降。不同稀土元素的配比也會(huì)對(duì)合金性能產(chǎn)生影響。通過將AE系壓鑄鎂合金中常用的鑭鈰混合稀土調(diào)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(yōu)于Al?RE相，故Mg-Al-La合金的耐熱性能優(yōu)于Mg-Al-RE合金。此外，樹枝狀的Al??RE?相的數(shù)密度遠(yuǎn)高于顆粒狀的Al?RE相，其對(duì)于位錯(cuò)的阻擋能力更強(qiáng)，使得Mg-Al-La合金的強(qiáng)度也優(yōu)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(duì)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(qiáng)度得到提升，因?yàn)閆n固溶到Mg基體中時(shí)，會(huì)引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。當(dāng)Zn含量大于2.5％時(shí)，可能會(huì)對(duì)合金的防腐性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)檫^多的Zn可能會(huì)導(dǎo)致合金中形成一些不利于耐蝕性的相或微觀結(jié)構(gòu)。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(duì)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(jié)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(huì)對(duì)合金的組織和性能產(chǎn)生影響，如阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)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(diǎn)的化合物，如CaAl?等，這些化合物在高溫下能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的抗變形能力。過多的Ca添加可能會(huì)導(dǎo)致合金的脆性增加，因?yàn)镃a會(huì)降低鎂合金的晶界結(jié)合強(qiáng)度，使合金在受力時(shí)容易沿晶界斷裂。合金元素之間的相互作用和配比關(guān)系也十分重要。在設(shè)計(jì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金成分時(shí)，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(qiáng)度和耐熱性的同時(shí)，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(shí)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(jié)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(qiáng)度，并且蠕變時(shí)固溶于鎂基體的Al與Mn元素可結(jié)合成AlMn相析出，阻擋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，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(huì)過多，否則多余的Al會(huì)與Mg結(jié)合生成晶界網(wǎng)狀分布的低熔點(diǎn)Mg??Al??相，嚴(yán)重?fù)p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(tài)的關(guān)鍵因素之一，其對(duì)合金性能的影響也十分顯著。在凝固過程中，冷卻速度對(duì)合金的形核和長大過程有著重要影響。當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)，合金熔體中的原子有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和排列，形核率較低，而晶核的長大速度相對(duì)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(fā)現(xiàn)，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(duì)較大。這是因?yàn)樵诼倮鋮s過程中，原子的擴(kuò)散距離較長，晶核生長的時(shí)間充足，導(dǎo)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(kuò)散受到限制，形核率顯著提高，而晶核的長大速度相對(duì)減緩，從而形成細(xì)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的晶核，這些晶核在生長過程中相互競(jìng)爭(zhēng)，抑制了晶粒的長大，使得合金的晶粒尺寸明顯減小。在對(duì)某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行壓鑄時(shí)，由于冷卻速度快，合金的平均晶粒尺寸從砂型鑄造時(shí)的幾十微米減小到十幾微米，晶粒細(xì)化效果明顯。冷卻速度還會(huì)影響合金中第二相的析出和分布。在冷卻速度較慢時(shí)，第二相有足夠的時(shí)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(dāng)冷卻速度較慢時(shí)，Mg??Al??相在晶界處形成粗大的連續(xù)或半連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)降低合金的塑性和韌性。當(dāng)冷卻速度較快時(shí)，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(xì)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(duì)合金的力學(xué)性能也有顯著影響。細(xì)小的晶粒和均勻分布的第二相可以提高合金的強(qiáng)度和塑性。細(xì)晶粒合金中晶界面積較大，晶界對(duì)變形的阻礙作用增強(qiáng)，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，從而提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)晶粒合金中裂紋擴(kuò)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(qiáng)度和伸長率都得到提高。冷卻速度過快可能會(huì)導(dǎo)致合金中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至出現(xiàn)裂紋等缺陷，從而降低合金的性能。在實(shí)際生產(chǎn)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(shù)加工工藝參數(shù)對(duì)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(yīng)變速率是兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，它們?cè)诤辖鸬乃苄宰冃芜^程中發(fā)揮著重要作用。變形溫度對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為有著重要影響。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是指在熱變形過程中，由于位錯(cuò)的增殖和運(yùn)動(dòng)，當(dāng)位錯(cuò)密度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)發(fā)生新晶粒的形核和長大，從而取代原始晶粒的過程。當(dāng)變形溫度較低時(shí)，原子的熱運(yùn)動(dòng)能力較弱，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和攀移受到限制，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶難以充分進(jìn)行。在較低的變形溫度下，合金中的位錯(cuò)難以通過攀移和交滑移等方式重新排列，位錯(cuò)的增殖和積累導(dǎo)致加工硬化加劇，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核和長大速度較慢，無法及時(shí)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(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和攀移變得更加容易，動(dòng)態(tài)再結(jié)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(cuò)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(jìn)而發(fā)展為再結(jié)晶晶界，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)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(duì)某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行熱擠壓時(shí)，當(dāng)變形溫度從300℃升高到350℃時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)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(huì)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(dòng)態(tài)再結(jié)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶充分進(jìn)行，合金的晶粒得到細(xì)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(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小均勻的等軸晶組織，平均晶粒尺寸可減小至10μm左右。應(yīng)變速率同樣對(duì)Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織和性能有著重要影響。當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，位錯(cuò)有足夠的時(shí)間運(yùn)動(dòng)和相互作用，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能夠充分進(jìn)行。在低應(yīng)變速率下，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)較為緩慢，位錯(cuò)之間有足夠的時(shí)間相互作用、纏結(jié)，形成位錯(cuò)胞和亞晶界，進(jìn)而發(fā)展為再結(jié)晶晶界，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶充分進(jìn)行，合金的組織得到細(xì)化，性能得到改善。當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度加快，位錯(cuò)來不及充分運(yùn)動(dòng)和相互作用，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核和長大受到抑制。在高應(yīng)變速率下，位錯(cuò)的增殖速度遠(yuǎn)大于其運(yùn)動(dòng)和相互作用的速度，導(dǎo)致加工硬化迅速加劇，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶來不及充分進(jìn)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(duì)某Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行熱擠壓時(shí)，當(dāng)應(yīng)變速率從0.01s?1增加到1s?1時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度明顯降低，晶粒尺寸增大，抗拉強(qiáng)度從300MPa下降到250MPa。應(yīng)變速率還會(huì)影響合金的流變應(yīng)力。隨著應(yīng)變速率的增加，合金的流變應(yīng)力增大。這是因?yàn)樵诟邞?yīng)變速率下，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度加快，位錯(cuò)密度迅速增加，加工硬化加劇，導(dǎo)致合金的流變應(yīng)力增大。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變速率從0.001s?1增加到0.1s?1時(shí)，合金的流變應(yīng)力從100MPa增加到200MPa。五、Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的組織與性能關(guān)系5.1微觀組織對(duì)力學(xué)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(duì)其力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響。晶粒大小是影響合金力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)Hall-Petch公式，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，晶界對(duì)變形的阻礙作用越強(qiáng)，從而提高合金的強(qiáng)度。在Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，細(xì)化晶?？梢燥@著提高合金的強(qiáng)度和韌性。在AZ91D合金中添加1.11%Nd后，壓鑄態(tài)晶粒有所細(xì)化，平均晶粒尺寸從約38μm降至約23μm，室溫抗拉強(qiáng)度從230MPa提高到272MPa，伸長率從6.0%提高到12.0%。這是因?yàn)榧?xì)晶粒合金中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界時(shí)，受到晶界的阻礙作用更大，需要消耗更多的能量才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而增加了位錯(cuò)滑移的阻力，提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)晶粒合金中裂紋擴(kuò)展的路徑更加曲折，裂紋在遇到晶界時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分支，需要消耗更多的能量才能繼續(xù)擴(kuò)展，因此韌性也得到提高。第二相的分布對(duì)合金力學(xué)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(tài)不同，對(duì)力學(xué)性能的影響也不同。當(dāng)?shù)诙喑蔬B續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界處時(shí)，會(huì)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(xù)網(wǎng)狀分布于晶界處，在受力時(shí)，晶界處的Mg??Al??相容易成為裂紋源，裂紋沿著晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致合金過早斷裂。當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小顆粒狀彌散分布在基體中時(shí)，能夠提高合金的強(qiáng)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(xì)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到第二相粒子時(shí)，需要繞過或切過這些粒子，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)小彌散分布的第二相粒子還可以阻礙裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)裂紋遇到第二相粒子時(shí)，會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、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(shù)量也會(huì)影響合金的力學(xué)性能。不同種類的第二相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)、硬度和熱穩(wěn)定性，對(duì)合金力學(xué)性能的影響也不同。Al??RE?相和Al?RE相具有較高的熱穩(wěn)定性和硬度，能夠提高合金的高溫強(qiáng)度和硬度；而Mg??Al??相的熱穩(wěn)定性相對(duì)較低，在高溫下容易發(fā)生軟化，降低合金的高溫性能。第二相的數(shù)量過多或過少都不利于合金力學(xué)性能的提高。第二相數(shù)量過多，會(huì)導(dǎo)致合金的脆性增加；第二相數(shù)量過少，強(qiáng)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(shù)量和分布，以獲得良好的綜合力學(xué)性能。5.2微觀組織對(duì)耐熱性能的影響Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的微觀組織對(duì)其耐熱性能有著至關(guān)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(wěn)定性。在高溫環(huán)境中，合金的抗蠕變性能是衡量其耐熱性能的重要指標(biāo)之一。合金中的第二相，特別是Al-RE相，對(duì)提高抗蠕變性能起著關(guān)鍵作用。在AE42合金中，稀土元素與Al元素結(jié)合生成高熔點(diǎn)的Al??RE?或Al?RE相，這些相在晶界和晶內(nèi)彌散分布，能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(yōu)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(jī)制來看，當(dāng)合金受到高溫和應(yīng)力作用時(shí)，位錯(cuò)會(huì)在晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。Al-RE相的存在就像一個(gè)個(gè)障礙物，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中遇到這些障礙物時(shí)，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(cuò)的運(yùn)動(dòng)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(gè)重要機(jī)制。在高溫下，晶界的原子活動(dòng)性增強(qiáng)，晶界容易發(fā)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(wěn)定，從而提高合金的抗蠕變性能。合金的熱穩(wěn)定性與微觀組織的穩(wěn)定性密切相關(guān)。在高溫下，微觀組織中的相可能會(huì)發(fā)生溶解、長大或轉(zhuǎn)變，這些變化會(huì)影響合金的性能。Al-RE相具有較高的熱穩(wěn)定性，在高溫下能夠保持其形態(tài)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而保證合金的熱穩(wěn)定性。在一些Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金中，經(jīng)過高溫長時(shí)間服役后，Al-RE相仍然能夠保持細(xì)小彌散的分布狀態(tài)，沒有發(fā)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(xué)性能。晶粒大小也對(duì)合金的耐熱性能有一定影響。一般來說，細(xì)小的晶?？梢蕴峁└嗟木Ы纾Ы缭诟邷叵驴梢宰璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(xì)化，合金的高溫抗變形能力得到提高。細(xì)小的晶粒也增加了晶界面積，晶界處的原子排列不規(guī)則，能量較高，在高溫下容易與外界環(huán)境發(fā)生作用，可能會(huì)對(duì)合金的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。因此，在提高合金耐熱性能時(shí)，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(duì)耐蝕性能的影響Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金的微觀組織對(duì)其耐蝕性能有著至關(guān)重要的影響，在不同的環(huán)境下，微觀組織與耐蝕性能之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。在中性鹽霧環(huán)境中，合金的微觀組織特征對(duì)耐蝕性能起著關(guān)鍵作用。晶粒大小是影響耐蝕性能的重要因素之一，細(xì)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(huán)境發(fā)生作用。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金晶粒細(xì)化時(shí)，在中性鹽霧環(huán)境下，晶界處更容易形成腐蝕微電池，導(dǎo)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(zhì)侵入的通道，使得合金的腐蝕速率加快。第二相的分布狀態(tài)也對(duì)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，