稀土元素Er在镁合金中的作用机理研究.docx

1、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E010101S2010J5043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O O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ZK60 AZ91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 ZK6

2、0 AZ91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 Ce La、Nd、Pr、Y Gd等典型稀土镁合金 QE22A WE54WE43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

3、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

4、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。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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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1师昌绪，李恒德,王淀佐,等加速我国金属镁工业发展的建议 J.材料导报，2001,15(4):5-7.2Wood P M. Desig n En gi neeri ng.1993,(1):33.3Brulower P M. Die Casting Engineer,1997.4(3):6.4我国稀土镁合金成功用于重卡汽车零部件制造 N.科学时报，2006.5中

10、国科学院科研专题.高性能稀土镁合金及其在汽车上的应用 .6Pekguleryuz M. Light Meta1,1992,42(12):679.7Ohara H. Light Metal,1998,48(8):422.8张洪杰,孟健,唐定骧.高性能镁-稀土结构材料的研制、开发与应用 J.中国稀土学报，2004, 22(1):40-47.9I.P .Moreno, T.K.Nandy, W.J.Jonse. Microstructural stability and creep of rare-earth containingmagnesium alloys J.Scripta Material

11、ia, 2003,48:1029-1034.10B.L.Mordike. Creep-resistant magnesium alloysJ. Materials Scienee and Engineering A, 2002,324:103-112.11王渠东，吕宜振,曾小勤,等.稀土在铸造镁合金中的应用 J.特种铸造及有色合金,1999,(S1):40-43.12张崧,唐建新，冯可芹，等.高强度镁合金的研究现状及发展 J.热加工工艺,2004(8):52-54.13陈振华 严红革，陈吉华，等.镁合金M.北京:化学工业出版社，2004.14邢泽炳,聂祚仁,邹景霞，等.Al-Er合金铸锭中铒的

12、存在形式及作用研究 J,中国稀土学报,2007,25(2):34-38.15余胜文,王为,杨军军,等.AI-5Mg-Er合金中Al_3Er相的析出及其热力学计算分析 J,中国稀土学报，2006, 24(4):470-474.16季小兰，邢泽丙，聂祚仁，等.铒对AI-4.5Mg-0.7Mn 合金组织与性能的影响J,稀有金属，2006, 30(4):62-65.17高旭东,邢泽炳,季小兰,等稀土铒(Er)对Al-4 5Mg-0 15Zr合金组织与性能的影响J,金 属热处理,2007,32(8):40-43.18季小兰,聂祚仁,邢泽炳.稀土元素Er对AI-5Mg合金铸态组织的影响J,轻合金加工技术，

13、 2005,33(10):19-21.19王忠军，张彩碚,邵晓宏，等.添加稀土 Er于熔剂中对铸态 AZ91镁合金组织与性能的影 响J.中国有色金属学报，2007, 17(2):181-187.| I 二20文忱兰，刘楚明，李慧中.等. E r、N d对Mg-0.6Zr合金组织和性能的影响J.特种铸造及 有色合金,2009, 29(2):173-175.21肖代红，黄伯云.铒对 AZ91镁合金铸态组织与力学性 能的影响lJ.中国稀土学报，2008,26(1): 78-81.22刘楚明，葛位维,李慧中，等.Er对铸态AZ91镁合金显微组织和耐腐蚀性能的影响 J,中国有色金属学报，2009,19(

14、5):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 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。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300 Mpa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A

15、Z91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ZK60 AZ91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

16、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

17、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

18、、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

19、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

20、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q J1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。 研究 Mg-xEr、ZK60-xE

21、r、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

22、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；2011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

23、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.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不需要改装国际合作与交流费0.000劳务费0.100测试费、临时用工等费用管理费0.100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。