《Acta Materialia》：改变传统认识！耐高温轻质镁合金重要突破
2022-04-27 11:04:18
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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近年来，民用轻型发动机、航空航天和国防等重点领域一些耐热构件的设计服役温度逐渐跨越到250-400°C的范围，且对高温和载荷下的服役寿命提出了更高的要求。轻质铝、镁合金分别作为次轻和最轻的工程合金材料体系，是400°C以下耐热构件的优选轻量化材料。然而，铝、镁合金熔点只有约500-630°C，且其基体中赖以强化的纳米沉淀相在250°C以上高温和载荷条件下会从几十至上百纳米快速粗化为几百纳米甚至微米量级，导致高温力学性能和服役寿命急剧下降。
近期，来自英国伦敦布鲁内尔大学国家液态金属工程中心（LiME Hub）和布鲁内尔先进凝固科学技术中心（BCAST）的董曦曦博士和合作导师冀守勋教授通过多年探索研究报道了一种在镁合金中比传统几十至上百纳米级纳米沉淀强化相尺寸更小、数密度更高、抗高温和应力粗化/蠕变能力更强的革新性铝基短程序（0-2纳米）/团簇（2-10纳米）强化微结构，与镁基体共格，克服了传统纳米沉淀强化相在250°C以上高温和载荷下快速粗化的科学难题，同时改变了长期以来铝利于镁液态成形性而不利于其高温力学性能的传统认识，实现了铝对压铸镁合金液态成形能力和高温力学性能的协同提升调控，并将压铸镁合金高温服役温度从120-200°C大幅提升至250-350°C。
相关成果以“On the exceptional creep resistancein a die-cast Gd-containing Mg alloy with Al addition”为题发表在金属结构材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。董曦曦博士为论文第一和通讯作者，冀守勋教授为论文通讯作者。法国Lille大学嵇罡（Gang Ji）研究员为论文主要合作者。BCAST冯凌云博士生、王时豪博士，中南大学杨海林教授等也为研究工作的发表作出贡献。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117957
据此研发的轻型发动机燃烧室活塞（300-350°C）用深度轻量化高耐热压铸镁合金在300°C/50MPa工作400小时后铝基短程序/团簇强化微结构尺寸仍小于10纳米，并与镁基体共格，且300°C/50MPa稳态蠕变速率低至1.35×10-10s-1并可安全服役600小时，抗高温和应力粗化/蠕变性能几乎是公开报道镁合金和铝合金中最优的。
图1 轻质镁合金中抗高温和应力粗化/蠕变超级短程序/团簇微结构的发现以及据此研发的新型高耐热压铸镁合金（a,b） 在300°C/50MPa条件下的蠕变性能； （c,d）镁基体中的高耐热铝基短程序（0-2纳米）/团簇（2-10纳米）强化微结构 （c） 蠕变前， （d）300°C/50MPa蠕变400小时后。
图2 未加Al的对比压铸镁合金中传统几十至上百纳米级纳米沉淀强化相在高温和应力条件下的粗化演变： （a-c）蠕变前； （d-f） 300°C/50MPa蠕变400小时后。
此项研究大幅提高了轻质镁合金的抗高温和应力粗化/蠕变性能，并给出了某些高热稳定性短程序（0-2纳米）/团簇（2-10纳米）强化微结构在高温和高应力服役环境下可长期稳定存在的实验证据，回应了学术和工程界关于短程序/团簇强化微结构在高温和高应力服役环境下可能不能长期稳定存在的疑问。
图3 新型高耐热压铸镁合金（300°C/50MPa蠕变400小时）基体中高耐热铝基短程序（0-2纳米）/团簇（2-10纳米）强化微结构的STEM/EDS化学元素富集图谱。
图4 新型高耐热压铸镁合金（300°C/50MPa蠕变400小时）基体中高耐热铝基短程序（0-2纳米）/团簇（2-10纳米）强化微结构的原子级分辨率STEM-HAADF图像：高耐热铝基短程序/团簇与镁基体共格。
此项研究为超耐热轻质合金设计提供了新的方向，可以预期，高热稳定性短程序（0-2纳米）/团簇（2-10纳米）强化微结构将会是一种革新性的解决传统几十至上百纳米级纳米沉淀强化相在高温和应力条件下快速粗化/蠕变科学难题的理论与方法，有望在未来高耐热-长寿命高温合金设计中发挥重要作用。
图5新型高耐热压铸镁合金（300°C/50MPa蠕变400小时）基体中高密度高耐热铝基短程序（0-2纳米）/团簇（2-10纳米）强化微结构对位错的钉扎作用。
此项研究已申请PCT国际专利，从研发、中试、专利申请到产业化应用历经多年。研究成果对重点领域高温服役构件的深度轻量化、耐热性和寿命提升具有重要科学和工程意义。
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