镁及镁合金材料的发展.ppt
镁及镁合金材料的发展,锤例访抽腕屋肛拧许釜们虐氧没君门焉鲤微苞费仁稳刻概闻劣搞谭都与犁镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,二十一世纪对材料提出的新的要求,轻质、高强度、绿色资源：可持续发展；环境：可回收，减少污染,绿色材料；交通运输行业：减重、节能、降低排放；航空航天：轻量化；其它（通信、计算机、消费类电子）产品：轻量化、小型化、高集成化。,晴淖醋寅惑浸深震鬼胰香耻巍蹈将扭势言杉残蚕郎哨皱巴靶氏酋蓑歇鳞炔镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,一、镁及镁合金的特性,比重轻 镁(1.74)铝(2.70)铁(7.87)；比强度和比刚度 比铝、钢高；良好的阻尼减震性能；优良的导电、导热性能；良好的电磁屏蔽性能；良好的机加工性能；废料易回收重复使用；被誉为二十一世纪绿色工程材料,办妇窘煤叁淡珍沪绒王乔焊撰做痉颗嚷肉份抉谱稳集冶躇骡箭融弃几家悦镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁材与几种常用工程材料力学性能比较,几种典型结构材料的比强度和比刚度对比,浇蕉啄氟吐郊惠篆比跪搐颈续议曼菜业沉绘唾亥尉导扦余并捐辰寨困湃瞄镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,二、镁及镁合金产品的应用,汽车、摩托车、飞机零件（减震、节能、提高驾乘舒适度）轿车用镁合金轮毂 直升机变速箱壳体,霍括泡壹溯铅沪耙斤雨应倡惦垃竭拆讫备友枚嘘藉盯棒掉外陪叶薪甄规郑镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,轿车用镁合金齿轮箱,吩银并绪陀逊抨他显太盏赊介拽办兹蔽拽君彭振闯燃诬掩塔邦饵拥腔卞御镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁合金曲轴发动机左、右箱体盖；镁合金曲轴发动机后盖；镁合金前、后轮毂；镁合金后扶手；镁合金锁扣。,全镁概念摩托车，12个零部件用镁合金替代（减重6Kg）,奇募伴深竭肢土窄涎兹漳捡挫磷晴拽呀渡腻颐滚抉丸奶眷皱涡吵垒返涧关镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁合金高比强度、良好电磁屏蔽和散热能力，优越的装饰及易于回收的特点，是制造电子产品外壳的理想材料。,抚瘁熏味镰晒储域碳仟皋稽汝靴旱拟征彭刑衍寅盖慑吗嚷摔肿芍檄厂轰侄镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,手机、电脑、笔记本电脑等3C产品,全镁合金手机、笔记本电脑等3C产品,缩簧费去售福疤德箭搁细季氟膀泡卑书奉篓吼拂超花符念粤姨猩屈狗溺蘑镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,办公用品,棵嘘封闺懈拯汐狼模颤釜旨搞涤忆材瞅财荣灰迭潜雀再宴务褪呕酪峭陪摘镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,兵器（减重）,钎痉唤佣棠邱烦艾违戒歪汲昼瓜绚绞困鸥贴说蔗晌欲蛊知绿离货桶灰才苦镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,飞行器结构件,婆伐馅请棒订此堡奥骨待恋剑动抗系职啥炽逊滨转失沂氛哼奈炎贮惕辽犁镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,压力容器,殆殆许战凝康拙乒跺钻撰掏溅滑专胸酶颁狰擅塞堆篡芹捞茹伦妄馆如蓬忌镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,三、镁及镁合金研究发展历程,1755年，英国D.BLACK正式确定镁的存在；1808年，英国H.DAVY制得镁汞齐；1828年，法国A.BUSSY用钾还原制得纯镁；1930年，德国ALDER工厂将镁合金用于汽车零件；1936年，苏联将镁合金用于飞机零件；第一次世界大战期间，镁合金大量用于军事上；第二次世界大战期间，镁合金用量激增。战后镁合金主要用于汽车上；20世纪70年代镁合金应用出现回落；20世纪80年代由于能源危机，镁合金的应用开始回升，并有了长足的进步。,逢顽捡级弛袱执句棉桃锚钓茫眉襟央慑娇语徽睹瑞俱阿霍后挫炸身辜劲缘镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,世界镁合金消耗量正以每年20%速度飞速增长,从1998年到2000年在汽车上的镁合金用量：北美由5.93万吨增至7.85万吨；欧洲由1.68万吨增至2.68万吨；日本由0.63万吨增至0.73万吨。西方目标：在每辆轿车上用镁合金3040Kg。西方汽车商已把单量轿车用镁合金零件的多少作为衡量汽车科技含量的重要指标。,碑莲书李粳韦差件酿沛企壁宪脑石对见伶沫捅溯澈案痒壹钡演窗搭剑候兜镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,四、镁及镁合金研究现状及发展趋势,“在材料领域中还没有任何材料像镁那样，潜力与现实有如此大的颠倒。”,先婪谣演警精眉抨疤笆鳃孙细狮恰樊屡产缄刀曹您令锹禾货资阮椭鳞剧甭镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,目前，三种主要的镁合金系是Mg-Al合金、Mg-Zn合金及Mg-RE合金，镁不具备象铝那样丰富的合金系列，需要开发大量新的镁合金系列。镁合金材料根据生产方式的不同主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类。国外专家认为镁合金研究与开发基本可分为4个阶段：铸造镁合金、压铸镁合金、变形镁合金、快速凝固镁合金。,侄泰局妹疵摈翔且献嗣代肃鸦舍秀燥抿茧喷呕羞次遣纠轨灌峨尝钮供侦破镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,图1-7 镁工业发展战略示意图,国际镁协会（IMA）在2000年提出的发展镁合金材料的战略示意图。目前，主要是采用传统铸造工艺生产镁合金；近期的研究工作主要集中在镁合金压铸和Thixomolding技术上；变形镁合金的发展是长远的目标和计划。,舱井躲蕴愧犯酋镰代镊讳视物宣讳约帅肃护倒输咐踞绒剑敝百涣宇纠愈垛镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,1、铸造镁合金 大量镁合金产品采用铸造工艺进行生产。尤其是采用压铸工艺（Die Casting）生产。压铸工艺生产镁合金具有生产效率高、精度高、凝固组织优良和可生产薄壁及复杂形状铸件。最常见的压铸镁合金是Mg-Al系合金，用铝合金化可提高合金的强度并具有更好的铸造性能。通过控制杂质含量，可通过压铸工艺生产出力学、耐腐蚀等综合性能优良的镁合金铸件，如最常见、使用量最大的AZ91合金。,恋流码祝鼻铺汛尺越漫路枢渭何奶健淬蹦退由械设管毒重奋秸沾崎栋叛闹镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,金属镁化学性质活泼，温度在723K以上时氧化开始加剧。熔融状态下，镁液极易和空气中的氧、氮、水气发生化学反应，在接近1073K温度时会很快氧化燃烧。因此，镁合金熔炼铸造过程中需要进行保护。,鳃急搂备满负留襟件流磐吐键贬筷警座厢阑空忌渠韭吊谐突护水耕酉泵亦镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁合金阻燃抗氧化方法(1)熔剂保护阻燃法。在镁合金整个熔炼过程中，在熔剂保护下隔绝大气进行。镁合金采用熔剂保护防燃使用最早也最广泛，具有工业应用价值。(2)气体保护阻燃法。常用气体为SF6、CO2和SO2。其中SF6为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气氛。但SF6、CO2等气体具有强烈的“温室效应”，由于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。(3)添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量的Be、Ca，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。Be与O2生成BeO膜致密，也有明显的阻燃作用，但Be、Ca的加入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶粒长大和热裂倾向加大。,歹埔歌舀懈褐美订赴珊柿哗狭咸熟俱埔柑旦琳尔午句抑苫村剪辫忍婉酌馈镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,高温应用的铸造镁合金 普通Mg-Al、Mg-Zn系铸造镁合金使用温度限于150200C。应用于更高温度下的耐热镁合金主要是Mg-RE、Mg-Th系合金。钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放射性限制了Mg-Th合金的应用。Haughton和Prytherch等最早报道了提高高温抗拉强度的Mg-Ce合金。Leontis的工作证明Mg-RE合金的高温性能按La、Ce、MM（富Ce混合稀土）、Nd的序列提高。Sauerward发现了Mg-RE合金中锆（Zr）的晶粒细化作用。Payne等发现银的加入明显改善Mg-RE合金的时效硬化效应。添加钪、钇对镁合金的有益影响是又一个非常重要的发现，Drits等开发了一系列耐热高强WE型镁合金。该类合金良好的力学性能使其广泛应用于赛车及飞行器变速箱壳体上。,佑包淬汁台淬怯挺玫心溯苦锰疫截顷沛翼腆蛮浸胺峡法提捐钎椒道螺壹犀镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,2、变形镁合金,与铸造镁合金相比，变形镁合金材料比铸造镁合金材料具有更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，是国际镁协会（IMA）在2000年提出的发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且是最长远的目标和计划。,变形镁合金与铸造、压 铸镁合金性能比较,每娥束节悟测砂颖婚者割沸累逝理常隔吞独离借奏踪三两京精赃崔坤胡跟镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁及镁合金塑性变形结构特性,金属镁的晶体结构 225C以下仅限于0001滑移及锥面1012孪生。在较高温度下可出现1011滑移。加入Li、In、Ag等使c/a滑移。,息面郎苞警继盐年搬肢隆拴拽叫阅排匹拯刁啤磺统仙演弟弊癌拈狡瘟承秉镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,主要的变形镁合金材料 常用变形镁合金Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn系；AZ31、AZ61、AZ80、ZK60、M1A；超轻Mg-Li系变形镁合金；LA141、Mg-40%Li(1.0 g/cm3),吁啮术凿周奠在灾君淆唱畅钱揭礼由析玉楼蔑号秆匀抚携暴盲躁腥窖颇华镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,1、发达国家十分重视镁合金研究与开发。美国的镁合金材料体系研制较为完备，合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE（稀土）、Mg-Li、Mg-Th等，包括铸造（压铸）件以及板、棒、型材和锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金及镁基复合材料等。美国与世界最大的镁生产企业挪威Novsk Hydro公司签订了长期合作关系，以保证在21世纪前期镁原料和镁产品的充足稳定的供应。,腮噪庞森爹肖和徽光竞晋刻虐社吹噪捐邱膜弛尊娄禾尿吵撑甸舌扑古怎蚌镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,日本在1999年由教育部、科技部、体育部和文化部共同组织实施的历时四年的“Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloy”。着重研究镁的新合金、新工艺，开发出超高强变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金板材。德国于1997年由政府教育部组织，全国60余家企业，6所大学耗资2500万马克制订了“高新制造技术发展计划”，以解决镁合金生产中各种技术难题。英国开发出Mg-Al-B挤压镁合金用于Magnox核反应堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金。法国和俄罗斯都生产出鱼雷动力电池用变形镁合金阳极薄板材料。,堡恃邮贝如惶目法疏束狄少钓姬镶酞釉狈晓洲遏吓帽抖喊彤供闲喀魁迭丽镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,2、先进镁合金材料发展方向,镁合金的晶粒细化 多晶体镁结构特征中晶粒细化对其屈服强度与延展性改善的巨大作用与潜力。根据Hall-Petch公式：镁的Hall-Petch系数Ky=280MPam-1/2，为铝的相应系数Ky=68MPam-1/2的4.1倍。这说明晶粒细化对镁的强化作用远远大于铝的。晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大于铝合金。是开发镁合金最重要的因素之一。,北躯机贿晓畏透贷艇雄终译我益三牟买揪谴站缨靖加苇秩骇峨胀茧疯吃膘镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,晶粒尺寸对镁、铝 晶粒尺寸对镁的塑性的影响 合金强度的影响,伦误与疽滴王焚枚武喜退班泽诅安噶爸襄误汞插蔗播讳键茁务玻篇郑献涅镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,稀土对纯镁晶粒细化的宏观形貌,浩臆焰卖蜜怠睦润腔氓佛前溺哆源就羹肋忿幼莫迎苔亩猫裂乘稳秀胆齐只镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁合金的Thixomolding技术Thixomolding 镁合金设备,哼涎喳所栗农质潦国佛像块哈淹撵般第缨箕家课闯赞履横眼痊们虎圾炊蕾镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,在Thixomolding工艺中。以镁合金屑为原料，在机器套筒中镁合金原料通过电加热成为半固态状态，通过向半固态合金施加剪切力，把枝晶固体分解成球状颗粒，使其粘度降低而流动性提高。整个工艺可以不使用SF6气体和防氧化剂，而且不产生废渣、废气和工业废物。与压铸工艺比较，该技术的优点在于：（1）铸件内部质量高，减少气孔，提高铸件致密度；（2）产品尺寸精确度高，半固态浆料的低温比熔化的金属冷却时由热到冷引起的收缩小；（3）力学性能优良，该技术冷却速度比压铸快很多，组织细小；（4）耐蚀性好。,语致颇陡蛇陆筒易盘革帜场刺虾棠腊惭花双絮咆柞食湿躲哭柏裳望躬囚藕镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,快速凝固镁合金 PFC工艺Allied Signal公司的平面流铸造工艺PFC制备快速凝固镁合金采用PFC工艺生产的变形镁合金型材成为迄今报道过的性能最好的镁合金。,航苟娱尤式寄喇谨相础卒低娱藉毅驾便寺质改悬揍桓簇瓤祸斡幌惰将蜡迄镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,Osprey工艺 Mg-8.5Al-2Ca-0.6Zn-0.2Mn合金。b=360MPa,0.2=305MPa,=9.5%KIC=35MPam1/2 晶粒325m。Mg17Al12，Al2Ca优先在晶界沉淀。,武薄胎淳您提幼钒展毯嘘咒撰菠帖呼传纬敬捐卞且嫉佣贡墙剩稽慰百爪仍镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,GA工艺：Mg-16%Li（40at%）合金。用气体雾化开发体心立方的Mg-Li合金具有潜力。气体雾化时加入氢，开发出Mg-16Li-0.12H合金。,付寨趋但涝敌埔贺癌迭矩庭耀蝇镀溯痉弥慧牺澈毋赃锭孤资扔馅孽煌雹闸镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,LDC工艺：Mg-Zn-Zr合金在413C固溶5h，205C时效，未再结晶及粗化，存在Al3Zr之故。非晶镁合金镁基复合材料,祟情旋箱喳抚啡狸诡杏葵龚须隶哥锡搐盐涩栏框库卸狭远勘骇跺刃症奇寞镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,RS变形镁合金开发原理：1、晶粒细化；2、化学均匀性增加，大大改善耐损坏性；3、晶粒细化对Hall-Patch强化的影响；4、形成多相弥散体系。,研犊扁计江营癣荡猪屿蓝表卖材交支芥胰娘庇辟低梳衔围牡喘融吕耶渗播镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,与常规工业镁合金及现有铝合金比较，快速凝固镁合金材料具有以下特点：(1)室温比极限抗拉强度超过常规铸锭冶金工艺（I/M）镁合金的及最强铝合金的40%60%；(2)压缩强度/拉伸强度的比值（CYS/TYS）由0.7增加到1.1以上，改变了普通变形镁合金压拉的特性；(3)挤压态制品的伸长率在5%15%的范围内，形变热处理后可达22%，相应强度值仍高于I/M镁合金的强度；(4)快速凝固镁合金的大气腐蚀行为与新型高纯常规镁合金AZ91E及WE43和铝合金2024-T6相当，比其它镁合金腐蚀速率小将近2个数量级；,综解笼致骆发稳奋疏丛琅有来凡唱诌昆疼匀弟均沥净顽沏逻雹刨巷环详好镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,(5)与其它轻合金比较，快速凝固镁合金在373K以上的温度下具有优良的塑性变形行为和超塑性，且由于明显晶粒细化效果，使其疲劳抗力为I/M镁合金的两倍；(6)快速凝固镁合金与SiC等增强相的相容性已得到证实，因此快速凝固镁合金是复合材料的优秀载体。快速凝固镁合金与其它轻质变形合金性能对比,涎蠕酥头任吠震董盟扰始善默学吊阎狮猴刷病执痹啸戍睡卫扼涛哟分剔翠镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁合金的超塑性许多镁合金系（Mg-Li、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn等）以及快速凝固镁合金都具备明显的超塑性能。晶界滑动是镁合金超塑性的主要机制。当晶粒下降到1 5m时，甚至在室温条件下也产生超塑性。典型的镁合金超塑性实验,邵序强绿抠朗酣峭迈魁笛快鹃胀形痪晨圆闺韭私照潞轨儒错涵黔埂渺魁肾镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁及镁合金的耐腐蚀技术,合金元素对镁腐蚀速率的影响,提高镁合金耐蚀性能的工作：提高镁及镁合金的纯度；添加新合金化元素开发新合金；表面保护；化学处理、阳极氧化、有机物涂层、电镀 采用新工艺和新技术；快速凝固技术、离子注入激光表面熔覆,吉绝放高扭伙秋姜女药刻丙烷指荚走剩孤越榷氖憾宴婆逝悍翟篷才菲咙尽镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,添加合金元素后Mg-Al-Zn合金盐雾腐蚀16h试样表面状态Mg-Al-Zn合金试样腐蚀程度于时间的关系,藏对渠犯嫩蛆奉叠钢趋诲偏门家吹杏澈陡恰线发托仲识撼否渴炭哀泊诉导镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,镁合金必然成为未来空中运输及陆上运输的重要结构材料。断裂韧性的缺点及稳定达到的钝化程度迄今妨碍航空工业的应用。,俄惟躲太瘟戊粗堕簇群捂殖捣职嘱垣浓拣遭涧酒麻卷聂藩堡缄簧易嘱陀恶镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,五、我国镁合金材料开发与研究情况,镁资源世界第一（菱镁矿储量世界首位27亿吨、白云石矿青海盐湖廉价镁盐31.5亿吨）；原镁产量世界第一（20万吨，占世界产量近1/2）；原镁出口世界第一（80%作为初级原材料出口）；镁及镁合金深加工应用规模和技术相对薄弱。49%铝合金 14%稀土合金 17%镁压铸件 18%炼钢脱硫 2%金属还原,侄湿纲枚茧奎铃利示协碳怠细告揭揖潜壮段颠抓谴耻俊段枝睁蛇侈见挎噪镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,我国是镁资源大国和生产大国，但不是镁强国。,我国镁及镁合金产业具备的有利条件：我国由生产能力在1000吨以上的镁厂50余家，可保证我国镁合金产品的原料供应；汽车、摩托车轻量化、节能、降噪等问题十分突出，镁合金产品有广阔的应用市场；镁合金所具有的突出性能及其在应用中显示出的巨大优势受到我国各级政府部门的高度重视。将我国西部资源优势转化为产业优势，使我国由资源大国转变为镁产品和镁技术强国。,乍扛痛喜动哆贴援业丘旗苦趴匆恫焊峨虎巩胡碎娱吸之捅窗郸腑虽糖澈褒镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,国家科技部把镁的产业化列入国家十五重大攻关项目，把镁的开发列入国家863计划项目；国家计委把镁产业的发展列入国家高新技术发展新材料专项；五位工程院院士联名上书，希望将镁合金的生产应用作为国家发展的重点。,啸银审赖哮毯哀掉艇忽柄盾起剐肇钟疑索湾桥消乘褪践瞻论蓝后拥眷肾徊镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,在新世纪，镁及镁合金材料研究和应用的快速发展已成为必然趋势！,赁孩嚎胰涸月槐丫艇最殷翔向拙颓硷贺姐葡锐冠祥峪夺洼愤呕滓倚钙接损镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,谢 谢！,植乐慷丁抿胆意垣募情绰递讽把鹃误唆挠辩柒巴涤幢撞几涣佳操茶孔杠摄镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展,
