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稀土元素Er在镁合金中的作用机理研究

项目类别

所属学科

学科代码1

相关学科

学科代码2

项目号

一般项目

材料

E010101

S2010J5043

湖南省自然科学基金项目

申请书

（表二）

项目名称：

稀土元素Er在镁合金中的作用机理研究

湖南省自然科学基金委员会

OO九年制

项目研究内容和意义简介（限400字）

以纯镁、ZK60、AZ91镁合金为基础，添加稀土元素Er，研究Er对镁合金的组织结构和性能

的影响。

主要研究内容为：

（1）研究Er在Mg-Er合金的存在形式及作用机制；

（2）研究含

Er镁合金ZK60AZ91在铸造、变形及热处理状态下的组织和性能；（3）研究稀土元素Er在

铸造、变形及热处理状ZK60AZ91镁合金中的存在形式；（4）探讨稀土元素Er对镁合金显微组织的细化机理，对合金力学性能的强化机理及再结晶机制等。

研制高性能稀土镁合金，以代替铝和钢可使设备大大减重，对航天航空、电子通讯及交

通运输等具有重要意义。

常用的含CeLa、Nd、Pr、YGd等典型稀土镁合金QE22AWE54

WE43等已广泛应用于航空、导弹和汽车工业，而含稀土Er的镁合金的研究报道得很少。

因

此，研制新型含Er高性能镁合金，以扩大镁合金的应用，为镁合金的开发提供有用的实验资料和一定的理论依据，意义深远。

一、立论依据

（包括项目的研究意义、国内外研究现状分析，并附主要参考文献及出处）

镁合金作为最轻的工程金属材料（密度1.74g/cm3,为铝的2/3,钢的1/4）,

具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及减振性好和易于回收等一系列独特的优点，满足了航空、航天、现代汽车工业对减重、节能的要求，并可替代工程塑料以满足3C（计算机、通

讯、消费类电子）产品的轻、薄、小型化，高集成度以及环保方面的要求，成为现代汽车和3C产业的首选材料。

因此镁被誉为“21世纪的绿色工程材料”，世界各国都在大力研发镁合金材料及其应用［1-3］。

以汽车材料为例，国际上已把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。

欧洲单车镁合金用量已达9-20公斤，正在使用和研发的镁合金汽车零部件已超过60多种，北美正在使用和研发的镁合金汽车零部件多达100多种⑷。

20世纪

中叶航空业的发展带动了耐热镁合金的开发，其使用温度可达200E以上，主要

应用于飞机发动机零部件。

己开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。

稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素，含稀土的镁合金QE22和WE54具有与铝合金相当的高温强度。

我国的镁和稀土资源在世界上都具有较大的优势，但在高端产品和产业化方面与世界强国相比还存在着较大差距。

中科院长春应化所在稀土有色金属合金的研发上具有较强的积累和优势。

2004年底，长春应化所与一汽集团共同承担了中科院东北振兴科技行动

计划重大项目“高性能稀土镁合金及其在汽车上的应用”课题。

自主研发出具有自主知识产权，抗拉强度达260-280MPa、蠕变变形量0.2%（150C、50MPa）、延伸率大于5%的高强、高韧、耐热、抗蠕变的稀土镁应用合金。

用镁合金代铝和钢可使设备大大减重。

减重对航天、航空、电子通讯等结构件特别是交通运输工具具有重要意义。

资料表明，普通交通运输工具，每减重1磅可节省300

美元；飞机每减轻1磅可节省3000美元；而对空间飞行器减轻1磅可节省30000美元。

可见，结构件轻量化的经济意义是显而易见的。

结构件轻量化对提高汽车的机动性，稳定性，高质量，节能和保护环境均具有重要意义［5］o

镁合金密排六方的晶休结构以及较低的电极电位决定了它的抗拉强度、屈服强度和延伸率较低，耐腐蚀性能及抗蠕变性能较差，大大限制了镁合金的应用。

早在20世纪30年代，人们就发现了稀土对镁的强化作用。

稀土元素由于具有独特的核外电子排布，在冶金、材料领域中具有其独特的作用，可以净化合金溶液、改善合金组织、提高合金室温及力学性能、增强合金耐蚀性能等［6-7］o大部分稀土元素与镁的原子尺寸接近，在镁中有较大固溶度，可藉以实现固溶强化，沉淀强化。

在所有合金元素中，稀土是提高镁合金耐热性能最有效最直接的合金元素。

合适的稀土元素在镁合金中除了除气、除杂、提高铸造流动性外，更主要的是能与Mg、Al以及其他合金元素（如Zn、Zr、Mn）形成弥散的、高熔点的稀土化合物，不仅细化晶粒，提高室温强度，而且分布在晶内和晶界（主要是晶界）的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能钉扎晶内位错和晶界滑移，从而提高了镁合金的高温强度和抗蠕变性能。

此外，稀土加入镁合金中，促进合金表面氧化膜由疏松变为致密，降低合金在液态和固态下的氧化倾向，从而提升传统镁合金耐蚀性、耐磨性等性能［8］。

常用的稀土元素有Ce、La、Nd、Pr、Y、Gd等［9-11］。

典型稀土镁合金AE42、EK41、EZ33A、QE22A、WE54、WE43等已广泛应用于航空、导弹和汽车工业［12］。

稀土RE与Zr联合添加比单独加入Zr后产生更大的晶粒细化效果，并且稀土在一定程度上还能够解决镁合金的氧化与燃烧问题［13］。

Er在铝及铝镁合金中的存在形式和作用机制研究较多［14-18］，微量的Er既可以溶于Al中形成过饱和固溶体，又可以以颗粒状AI3Er化合物的形式断续或连续分布在晶界上；固溶的Er在随后的加工过程中会以细小弥散的第二相形式析出，成为铝合金中有效的强化相，而沿晶界分布的粒状AI3Er可以起到阻碍晶粒长大的作用，并且可能对铝合金的高温力学性能有利。

稀土Er对镁合金的组织及性能的影响方面的研究报道得很少[19-21]。

对稀土

镁合金的研究，主要是要解决稀土元素难加入和加入后合金成分不均匀的难题，同时对稀土元素在镁合金中的作用机理进行深入研究。

研发有自主知识产权的新型高性能稀土镁合金，解决新型稀土镁合金的熔炼工艺、合金流动性、充型困难等关键技术，促进镁合金在汽车工业、电子工业以及航空、航天产品的迅速发展，全面提升我国镁合金应用水平具有重要意义。

参考文献

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|I二

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847-853.

二、研究方案

1•研究目标、研究内容和拟解决的关键问题（可加附页）

研究目标：

本课题拟采用合金化、塑性变形及热处理等方法，以ZK60AZ91镁合金为基础，添加稀

土元素Er，研究Er对镁合金的组织结构和性能的影响。

探讨稀土元素Er在镁合金中的存在

形式，对合金显微组织的细化机理，对合金力学性能的强化机理及再结晶机制等。

解决稀土镁合金中稀土强化相、弥散相，熔炼、铸造等关键技术难题，以期新研制的稀土镁合金抗拉强度达300Mpa以上，伸长率达5%。

主要研究内容：

采用金相、X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM卜透射电镜（TEM）等实验手段，对含Er镁合金ZK60和AZ91在铸造、变形及热处理状态下的组织和力学性能，探讨稀土元素Er在镁合

金中的存在形式，对合金显微组织的细化机理，对合金力学性能的强化机理及再结晶机制等。

具体研究内容如下：

（1）研究Er在Mg-Er合金中的存在形式及作用机制；

（2）研究含Er镁合金ZK60在铸造、变形及热处理状态下的组织和力学性能；

（3）研究含Er镁合金AZ91在铸造、变形及热处理状态下的组织和力学性能；

（4）研究稀土元素Er在ZK60AZ91镁合金中的存在形式及作用机制；

（5）探讨稀土元素Er在镁合金中的存在形式，对合金显微组织的细化机理，对合金力学性能

的强化机理及再结晶机制等。

拟解决的关键问题：

（1）含Er稀土镁合金的熔炼技术；

（2）进行合金高温压缩变形研究，分析高温变形时峰值流变应力、应变速率和变形温度之间的关系，研究变形条件对合金组织的影响及再结晶形核过程，为指导合金的高温塑性变形提供参考；

（3）稀土Er在铸造、变形及热处理状态下的ZK60、AZ91镁合金中的存在形式和作用机制;

（4）解决含Er稀土镁合金中稀土强化相、弥散相等关键技术

2.本项目的特色与创新之处

研发有自主知识产权的新型高性能含Er稀土镁合金，解决新型稀土镁合金的熔炼工艺、合金

流动性、充型困难等关键技术，以促进镁合金在汽车工业、电子工业以及航空、航天产品的迅速发展。

（1）针对稀土镁合金熔点低、流动性不好、充型困难等特点，优化设计模具；

（2）新型含Er稀土镁合金熔铸技术和工艺；

（3）对比分析研究稀土\Er在ZK60、AZ91镁合金中的存在形式和作用机制。

3•拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析（可加附页）

研究方法：

主要采用理论分析、试验等手段来研究添加稀土元素Er对ZK60、AZ91镁合金组织和性能的影响。

（1）采用适当的熔炼工艺，获得一定组织的镁合金，通过热模拟、力学性能测试、TEM、SEM、DMA等技术，研究不同含Er量的镁合金ZK60、AZ91的组织和力学性能的变化；

（2）拟定不同的塑性变形方式及热处理方式，对镁合金进行塑性变形，获得

强度较高的合金棒（板）材，采用DMA、TEM、OM等手段，研究变形和热处理火后合金的组织和力学性能的变化。

（3）分析稀土镁合金中稀土强化相、弥散相在铸造、变形及热处理等过程中的变化和作用，并做出可行的解决方案，以达到稀土镁合金的高性能目的。

技术路线：

制备含Er镁合金ZK60、AZ91的技术路线如图1所示：

实验用材料为纯镁（99.96wt.%）、纯锌（99.91wt.%）、Mg-30.16wt.%Zr中间合金、Mg-Er29.88wt.%中间合金。

在电阻炉中进行熔炼，坩锅、模具和其他熔炼工具等均涂一层涂料，然后预热到200C。

采用熔体保护剂，以防止熔体的氧化和燃烧。

将合金铸锭进行均匀化退火，即在高温下长时间的扩散而使合金成分

趋于均匀，以消除枝晶偏析，改善合金的微观组织，有利于合金的后续变形加工。

本实验均匀化制度定为420C/20h,空冷至室温。

在Gleeble-1500热/力模拟实验机上进行热/力压缩模拟试验，研究合金的高温应力-应变曲线和高温变形方程，分析相应的组织，指导合金的塑性加工工艺。

对挤压后棒材在不同温度和时间下进行时效处理，并绘制时效曲线，以寻求合适的时效制度。

在YA32-315

四柱式万能液压机上进行正挤压，挤压工艺由热模拟分析得出。

对挤压后棒材在不同温度和时间下进行时效处理，并绘制时效曲线，以寻求合适的时效制度。

采用拉伸实验测定实验合金室温力学性能，包括抗拉强度Cb、屈服强度匚0.2及

伸长率％。

实验合金硬度采用HVS-1000型维氏硬度测量仪测量。

采用X射线衍射（XRD）技术对镁合金进行物相分析。

通过光学显微镜、

熔炼铸造

均匀化

>

懿挤压

—►

吋效处理

qJ

1

工

组织分析1

——*

热模拟

性能测试

图1

扫描电子显微镜和透射电子显微镜等，研究含Er镁合金显微组织，观察稀土元

素Er在组织中的分布及其相应的相的分布情况。

实验方案：

为了研究Er在Mg-Er合金、ZK60及AZ91镁合金中的存在形式和作用机制，研究Er对镁合金的组织和力学性能的影响，研究工艺参数对含Er镁合金ZK60、AZ91的组织和性能的影响，分别进行铸造、固溶处理，热挤压、时效

及热模拟等试验。

⑴研究Mg-xEr、ZK60-xEr、AZ91-xEr（x=1,3,5）合金在在铸态、挤压态及热处理态时的组织和室温力学性能；

（2）研究Mg-xEr、ZK60-xEr、AZ91-xEr（x=1，3，5）合金高温塑性变形行为及其组织和力学性能；

（3）研究Er在Mg-Er、ZK60及AZ91镁合金中的存在形式和作用机制。

可行性分析：

（1）该项目是镁合金研究领域中的前沿。

（2）项目申请者一直从事材料工程和机械制造工程等方面的研究工作，已

■:

有多年积累，在国内各种专业期刊上发表相关科研论文多篇。

本科毕业于湖南大学机械系铸造专业。

申请人已对该课题进行了大量的前期研究工作，并取得了一些进展，具有较好的研究基础。

（3）项目组成员都具有相当高的科研能力，在理论和实践中，都取得了不少的经验，主持和完成了本专业的一些科研、教研课题，并取得了一定的成绩,完全有能力完成该课题的研究工作；

（4）该项目开展研究的实验条件与设备已经具备，可以保证该课题的研究顺利进行。

4•年度研究计划及预期进展拟三年完成本项目。

其中：

（1）2010年3月以前为收集资料；

（2）2010年9月以前，完成熔炼工艺方案及模具制造；

⑶2011年12月以前，完成对不同条件下稀土镁合金的组织和力学性能测试；

（4）2012年6月以前，根据实验结果，提出最优熔炼工艺方案、塑性变形工艺方案及热处理

工艺方案等，研制高性能含Er镁合金；

（5）2012年12月以前，写出总结报告，发表相关论文并申请专家评审，结题。

5•预期研究成果（能否形成自有知识产权成果）

（1）对本项目的研究成果申请鉴定；

（2）公开发表本项目研究论文5篇。

湖南省科技厅

三、经费预算

支出科目

金额（万元）

用途及理由

①.研究经费

1.400

其中：

科研业务费

0.200

调研和学术会议费、资料及文献检索等费用

实验材料费

0.900

试件材料费、加工费等

仪器设备费

0.300

租用费、配件购置费、仪器易损件等费用

实验室改装费

0.000

不需要改装

②国际合作与交流费

0.000

③劳务费

0.100

测试费、临时用工等费用

④管理费

0.100

⑤其他

0.400

论文出版及成果鉴定等费用

说明

稀土镁合金原材料较贵，需要外协加工及检测费用等计划了较高的费用。

注：

预算支出科目参见《湖南省自然科学基金项目经费管理办法》第二章：

经费开支范围。