适用于200-300℃的新型耐高温压铸镁合金

镁合金由于具有质轻、优良的降噪性能和良好的阻尼性能等优点，在交通运输、航空航天等领域具有极大应用潜力。高压压铸(HPDC)是一种高效、低成本的精密铸造方法，高压压铸轻质镁合金零部件极具工业应用潜力。目前常见的高压压铸镁合金主要有镁-铝基（AE44）和无铝（Mg–4 wt.%RE (La,Ce,Nd)，HP2+）压铸镁合金。含铝压铸镁合金由于形成了低熔点富铝相，当温度高于175℃时合金强度大幅下降。而无铝压铸镁合金常通过添加稀土元素形成高温稳定相，使合金具有优异的高温力学性能，但最大稀土添加量通常不超过4 wt%。稀土含量过高易导致合金变脆，在压铸过程中发生热裂或粘模缺陷。因此，开发出兼具良好压铸性能和高温力学性能的镁合金对于进一步扩大镁合金的高温应用十分重要。

近日，来自英国伦敦布鲁内尔大学的Xixi Dong（董曦曦）博士和Shouxun Ji （冀守勋）教授通过适当添加微量铝和特选的稀土元素，开发了一种用于小型燃油发动机的新型Mg–RE–Al合金，阐释了合金成分设计思路，并研究了合金高温下的微观组织、力学性能变化和相稳定性。结果发现新开发的Mg-RE-Al合金屈服强度高，在300℃时屈服强度达到94 MPa，显著高于AE44和HP2+合金；合金的弹性模量从室温上升到300℃仅下降13%，高温刚度保持良好；合金在200-300℃具有良好的高温相稳定性。综上所述，新开发的Mg-RE-Al合金兼具良好的压铸性能和高温力学性能。

　　本文采用4500 kN的冷室压铸机进行压铸，模具如图1所示。Mg-RE-Al合金的浇铸温度为715℃，模具预热温度为225℃，增压压力设定为320 bar。为便于比较合金的力学性能，采用相同的压铸工艺制备了AE44和HP2+合金试棒。

图1 新开发镁合金的高压压铸模具：（a）主视图；（b）左视图

不含Al压铸镁合金的稀土添加量通常不超过4.0 wt.%，而通过适当添加Al不仅可以提高RE的允许添加量，从而提高高温力学性能，还可以提高合金的压铸性能。因此，开发的新合金添加了约0.5 wt％的Al和总量约5.0 wt％的RE（La,Ce,Nd,Gd）。新型压铸合金的微观形貌如图2所示。合金存在两种不同尺寸的α1-Mg（20-50 µm）和α2-Mg（2-10 µm）基体相（图2a），晶界处有网状分布的Mg-RE基化合物相和离散分布的Al-RE基化合物相（图2b）。根据SEM-EDS和STEM结果，合金中第二相为呈连续枝晶间网络状的Mg12RE（La0.22Ce0.13Nd0.31Gd0.31）相和少数离散分布的花瓣状和块状的Al2RE3(RE=Nd,Gd)相。

图2 新型压铸镁合金的SEM形貌：(a)低倍率下的α1-Mg相和α2-Mg相；(b)高倍率下，晶界处分布的Mg-RE和Al-RE基化合物相

研究了新型压铸镁合金在高温下的拉伸性能，并与AE44、HP2+两种目前具有代表性的压铸镁合金进行比较。三种合金在室温、150℃、250℃和300℃高温下的拉伸应力-应变曲线和相关力学性能数据分别如图3和表1所示。在所有温度（室温至300℃）下，新开发压铸Mg-RE-Al合金的屈服强度均高于AE44和HP2+合金。在300℃时，新合金的屈服强度为94±1.8 MPa，比AE44和HP2+的屈服强度分别高出42％和20％。当温度在150℃及以上时，新合金的抗拉强度高于AE44和HP2+合金。室温下新合金的延伸率仅为2.3±0.3％，低于AE44镁合金。但是当温度升高至250℃及以上时，新合金的延伸率高于AE44和HP2+合金。新型压铸Mg-RE-Al合金的室温强度与近期开发的Mg–Al–Ba–Ca合金相当，但塑性比其略高。在200-300℃的高温条件下，新型压铸镁合金比现有的含铝AE44合金和无铝HP2+合金性能更好，更具应用前景。

图3 新开发压铸镁合金与AE44、HP2+在：(a)20℃、(b)150℃、(C)250℃、(d)300℃下的拉伸应力-应变曲线

表1 新型压铸镁合金在室温和高温下的拉伸性能

研究了新开发压铸镁合金的弹性模量和相稳定性。新合金的弹性模量满足E=44.21–0.02*T（GPa，RT≤T≤350℃）关系式，弹性模量随温度升高而线性降低，如图4所示。新合金在300℃时弹性模量为38.2 GPa，相比室温弹性模量（43.7 GPa）仅下降13%，表明该合金在200–300℃下具有良好的刚度保持性。热分析结果表明，新合金在固相区比热变化较小，仅在364.7℃处出现了一个较小的峰（图5），表明有较弱的固相转变。证实新合金中的第二相在200-300℃具有良好的高温相稳定性。新开发的压铸Mg-RE-Al合金能够在200-300℃的高温环境中工作，可适用于内燃机中的关键部件、引擎等要求较苛刻的工况环境。

图4 新型压铸Mg-RE-Al合金在加热和冷却测试循环中的模量变化情况

图5 热分析曲线：(a)室温到700℃范围；(b)局部放大图

中文摘要

通过高压压铸技术大批量生产可在200-300℃高温下工作的轻质镁(Mg)合金是内燃机关键零部件制造方面的最新进展之一。本文报道了一种新型压铸Mg-RE(La,Ce,Nd,Gd)-Al合金，并研究了其在200-300℃温度范围内的微观组织和力学性能。该合金在300℃时的屈服强度为94 MPa，比AE44提高了42%。此外，该合金在高温下具有良好的刚度，弹性模量从室温到300℃仅下降13%。热分析表明，该合金在364.7℃时有一个较小的峰，表明合金在300℃时具有良好的相稳定性。由于Nd和Gd对Al具有更强的亲和力，可形成少量离散的Al-RE（Nd，Gd）化合物相和连续的枝晶间网络贫铝相Mg₁₂RE（La_0.22Ce_0.13Nd_0.31Gd_0.31）Zn_0.39Al_0.13，有助于提高合金在200-300℃时的力学性能和相稳定性。

Abstract

The development of lightweight magnesium (Mg) alloys capable of operating at elevated temperatures of 200–300 °C and the ability of using high pressure die casting for high-volume manufacturing are the most advanced developments in manufacturing critical parts for internal combustion engines used in power tools. Here we report the microstructure and mechanical properties of a newly developed die-cast Mg–RE(La,Ce,Nd,Gd)–Al alloy capable of working at higher elevated temperatures of 200–300 °C. The new alloy delivers the yield strength of 94 MPa at 300 °C, which demonstrates a 42% increase over the benchmark AE44 high temperature die-cast Mg alloy. The new alloy also has good stiffness at elevated temperatures with its modulus only decreasing linearly by 13% from room temperature up to 300 °C. Thermal analysis shows a minor peak at 364.7 °C in the specific heat curve of the new alloy, indicating a good phase stability of the alloy up to 300 °C. Nd and Gd have more affinity to Al for the formation of the minority of divorced Al–RE(Nd,Gd) based compounds, and the stable Al-poor Mg₁₂RE(La_0.22Ce_0.13Nd_0.31Gd_0.31)Zn_0.39Al_0.13 compound acts as the continuous inter-dendritic network, which contribute to the high mechanical performance and stability of the new die-cast Mg alloy at 200–300 °C.

来源： JMACCMg