浅析AZ91镁合金抗高温蠕变性能及发展

李格格 张大伟 赵子鹏

摘  要：国内外对AZ91镁合金的研究都十分重视，特别是其抗高温蠕变性能。因此本文主要探讨AZ91镁合金抗高温蠕变的性能，为其未来发展与研究方向提出一些有用见解和看法。

关键词：AZ91;镁合金;抗高温;蠕变;性能

中图分类号：TG146.2+2     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）36-0173-02

目前全球最轻的金属材料就是镁合金，其密度非常低，而且强度比钢还要好，抗震能力强，导热能力好，以及电磁屏蔽和机械加工性能效果佳等诸多优点。拥有诸多优点的镁合金在航天航空以及汽车、计算机、电子等各个领域都被广泛应用。

AZ91镁合金的鑄造性能佳，温室强度以及抗腐蚀能力好，投资成本低廉等有点，这些优点的集合让其成为最被广泛应用的镁合金。但是其缺点也是十分明显，抗高温性能差，使用AZ91镁合金的环境温度不能超过120 ℃，环境温度的局限让其应用范围大大缩小。因此诸多学者将对AZ91镁合金性能研究方面重点关注抗高温能力。

1  AZ91镁合金抗高温蠕变性能概述

所谓耐热性指的就是即使处于高温或者外加负荷下也能够正常进行发挥作用，不会产生蠕变以及被高温破坏。而对镁合金常见的高温变形不单单表现为滑移，更多见的表现为有晶界参与其中的变形，且变形量之多，高达一半以上。根据调查，在高应力作用下，六方晶格的纯镁即使处于温度不高的室内也十分容易出现蠕变变形的情况，因此镁合金和铝合金相比，更容易出现晶界滑移的现象。

AZ91镁合金的抗高温蠕变能力不高的原因主要在于：

第一，合金中连续析出形成的Mg17Al12中的绝大部分都是呈现板条状或者和Mg基体的（0001）基面析出平行，这就造成两者无法存在共格，相互之间所产生的阻力也无法阻止滑移，进而带来的时效硬化效果不是很显著;

第二，Mg17Al12的熔点不高，只有437 ℃，因此在某种程度上来说就是相对比较软的合金。另外因此Mg17-Al12与基体不存在共格，界面能高，因此在高温下比较容易出现变形，随着温度的增大就会造成Mg17Al12融化。该原因也被近几年研究证实，正是因为Mg17Al12和基体不处于相同晶格，无法连续析出，因此抗高温能力十分差。Mg17Al12在晶界处无法连续析出，并且大多呈现的是薄片状，和晶界大多成直角，因此不仅不能够阻止晶界滑移，反而还提供了相当有利条件，令晶界滑移和迁移都十分容易进行，造成抗蠕变性能变差。因此，对AZ91镁合金抗高温蠕变性能的研究应该从限制错位运动和强化晶界着手

2  AZ91镁合金抗高温蠕变性能研究

位错和晶界滑移是AZ91镁合金高温下产生变形最长表现出来的方式。因此对AZ91镁合金抗高温蠕变性能研究可以从这两方面着手。实现的具体措施就是将基体和晶界强化。基体和晶界强化主要是利用微合金化增加固体溶液来进行，析出强度程度更高的细晶等，或者形成熔点较高的化合物来阻止镁合金的融化。

AZ91镁合金的微合金化研究主要集中在Ca， Si，Bi， Sr， Sb等元素和稀土上。

2.1  加Ca的微合金化研究

国内外对在AZ91镁合金中加入Ca的微合金化研究比较多，加入微量Ca后所形成的相和其加入量的多少相关，诸多学者认为Ca的加入量应不高于1%，加入的微量Ca主要溶于Mg17Al12中，将Mg17Al12的稳定性控制住，并且将Nc和Nd两个相对稳定的键融合一起，而提高Mg17Al12的熔点的前提就是令共价电子能够在主键和整个结构中分配更均匀，这样AZ91镁合金抗高温蠕变性能才能获得提高。如果投入0.8%的Ca，则合金晶界处会出现Al2Ca相，Mg17Al12的相则会减少，出现这样的结果表明镁合金的抗拉强度和塑性变差最大的原因就是因为Al2Ca相的出现。但是经过观察发现，当Ca投放量比较少时可以细化晶粒，从而提高合金的室温和抗高温拉伸能力，当加入的Ca量越来越大时，晶粒得到细化的程度也越加显著，但是合金的热裂倾向却越来越明显。

之所以加入Ca之后镁合金的抗热裂性能变差的主要原因就在于凝固期间晶界A12Ca相与基体的凝固冷却速度不同进而产生应力以及A12Ca相在晶界呈网状偏聚进而提高镁合金的热裂倾向。

除了上述两种原因外，造成镁合金抗热裂性能降低的重要原因是因此加入Ca后产生离异共晶反应，析出温度提高，镁合金的熔体填充能力降低。因此想要降低加入微量Ca带来的抗热裂性能降低的影响，不少学者都在寻找其他能够代替Ca作用的微量合金元素。

不过有文献表明，要将AZ91镁合金的抗热裂性能恢复与AZ91D合金相近的水平就必须在添加微量Ca之后继续添加微量Sr。不过添加微量Sr会带来其他副作用，其会让Ca带来的晶粒细化效果消失。但是如果两者同时添加进入，则会形成新的化合物，AlSr相和Al-Ca-Sr三元化合物，这也就导致原本的化合物Mg17Al12相析出减少，因此会给Mg17Al12相和Al2Ca相带来一定程度影响，进而造成Al2Ca的脆化程度提高。但是如果AZ91镁合金中在加入微量Ca之后再将Si或稀土添加进去，则会形成第二相Mg2Si或Al11RE3相，这两者的熔点都比较高，将AZ91镁合金的室温和高温力学性能有效改善，进而大力提高AZ91镁合金的抗高温蠕变性能。如果同时加入1%量的Ca和RE，则可以有效提高AZ91镁合金的抗拉强度。

2.2  加稀土的微合金化研究

稀土的核外电子排布特别造就其在冶金等领域中受到广泛欢迎和应用。并且在不断探究下，人们对镁合金的作用掌握更加深入。虽然镁合金中添加稀土的应用很广泛，但也仅限于国内。

基本上，稀土之所以能够提高AZ91镁合金的抗高温蠕变性能就是因其在AZ91合金中与Al形成高熔点的A1一稀土中间化合物。具体原因在于：

第一，在镁合金的铸造过程中，因为A1一稀土化合物的熔点比较高，因此最先析出，形成α-Mg相的形核核心，提高形核率，另外最先析出的A1一稀土化合物还会阻止a_Mg相晶粒的长大，进而达到细化镁合金晶粒的作用;

第二，因为中间化合物形成造成合金中A1含量的减少，进而减少Mg17Al12相的量。当AZ91镁合金中稀土的加入量逐渐增加，那么Mg17Al12相的尺寸就在不断减少，并且呈现网状向球状离散分布;

第三，A1一稀土化合物的稳定性比较好，因此形成之后造成稳定性比较差的Mg17Al12相的数量减少，从而提高AZ91镁合金的抗高温蠕变性能。因此在AZ91镁合金中加入适量的稀土可以提高合金的流动性，进而提升合金的铸造性能。

3  结  语

AZ91镁合金抗高温蠕变性能的提高不管是利用微合金化还是其他方式都主要集中在元素或者基体的增强上，但是该方面的研究还需要进一步加深。

参考文献：

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