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      來源:光明網 發布時間:2022/8/12 17:04:26
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      中國工程院院士潘復生:鎂合金零部件的大規模應用有助于輕量化和節能減排

       

      8月10-12日,第十五屆國際汽車輕量化大會暨展覽會在江蘇揚州盛大召開,行業專家學者、業內精英齊聚揚州,共襄中國汽車輕量化領域一年一度之盛舉,交流探討汽車輕量化領域的最新技術和發展成果。

      在大會的技術報告環節,因中國工程院院士、國家鎂合金材料工程研究中心主任、重慶大學教授潘復生先生因故未能來到大會現場,由重慶大學博士生導師譚軍教授代其現場演講,主題為:輕量化材料成形工藝與產業化應用技術。

      中國工程院院士潘復生:鎂合金零部件的大規模應用有助于輕量化和節能減排

      潘復生院士主要觀點如下:(譚軍教授代講)

      1、通過固溶強化,增加適當原子固溶到鎂基體,增加基面滑移的阻力,適當降低非基面滑移阻力,從而提高塑性。

      2、通過晶粒細化、熔體純凈化、優化模具結構設計等方式可以有效提升鎂合金的抗裂性能。

      3、通過陽極氧化、增加陽極耐腐蝕性等處理方式對鎂合金產品的表面防護、整體塑形有很好的改善作用。

      以下內容為現場演講實錄:(譚軍教授代講)

      各位領導、各位專家、各位朋友,今天我代表國家鎂合金材料工程技術研究中心給大家匯報這幾年我們在輕量化材料,特別是在鎂合金方面的研究應用工作,我叫譚軍。

      主要從以下四方面給大家作匯報。

      剛才毛院士提到鋼鐵在汽車上有很大用處,但是今天要講的是鎂。首先從資源來說,鐵和鋁的資源相比鎂要相對短缺,而鎂礦資源極其豐富,不管是白云石的磷煤礦以及在青海鹽湖的氯化鎂都有大量儲量,同時海水中有大量豐富的鎂資源。所以我們認為鎂資源是取之不盡、用之不竭的好材料。

      目前,汽車和3C產品是鎂合金消費的主要大戶。從統計表可以看出,鎂合金在汽車上的用量超過60%,而鎂合金的密度僅是鋁合金的三分之二,鋼鐵的四分之一,因此鎂合金的零部件輕量化效果十分顯著。國際鎂協評價認為,鎂合金零部件全生命周期節能減排效果顯著,鎂合金零部件大規模應用,有助于輕量化和節能減排,助推國家“雙碳”目標。

      第一方面,匯報鎂合金結構材料的部分。

      新材料開發方面,鎂合金和鋼鐵、鋁合金一樣,都是基于元素周期表添加一些適量的合金化元素達到目的。根據教科書所講,首先第一種獲得很好的鎂合金的方法就是采用固溶強化方法。這種方法首先要形成一種固溶體。第二種方法就是用第二相強化和細化晶粒。我們知道鎂合金和鋼鐵材料和鋁合金不太一樣,鎂合金是一種立方的晶格,基面滑移系非常少,所以塑性相對較低。從圖中可以看到,基面滑移啟動非常容易,也就是說材料特別是鎂合金的強度也會相對較低,很難啟動非基面的滑移,而只有溫度上升到大概兩三百度時,非基面的滑移才能啟動,這時候多面的滑移才能得到很好的塑性。

      我們第一個想法是固溶強化。我們研究了很多固溶原子,如果加適當的固溶原子,發現它和鎂的尺寸不一樣,在這里形成固溶原子首先想到的是會有晶格的基變,更希望的是固溶原子能夠使各個滑移線的密度增加,這樣開啟其他非基面的滑移。因此重慶大學在前期工作的基礎上,我們提出固溶強化增塑的合金設計理念。首先靠增加適當原子固溶到鎂基體里面取代一定的鎂原子,這樣可以增加滑移的阻力,可以使得鎂基面的滑移阻力提升。通過不同的原子,提升不一樣的效果。另一方面,如何提高強度?要提高塑性,必須啟動非基面的滑移,此時適度降低非基面滑移和基面滑移的阻力,這樣一方面可以提高基面滑移阻力,另一方面可以讓非基面上的滑移阻力沒那么快或者適當降低,提高材料塑性。

      基于前面的思想,重慶大學在過去二十來年開發了大量的鎂合金,包括很多高強度的變形鎂合金和鑄造鎂合金。比如變形鎂合金強度可以達到500-550MPa,延伸率可以達到10%以上。而高強度的鑄造鎂合金強度可以通過適當的熱處理達到350-380Mpa。里面還有一些低成本的無稀土的變性合金,還有一些高塑性合金,還有超高塑性合金,純鎂的合金非常少只有10%以下,但是合金化以后,通過固溶強化增塑延伸率可以提高50%-60%。同時開發了一些超輕合金,在航空航天有很多用處。同時還利用鎂合金很多優異功能特性,比如做高電磁屏蔽性合金,還可以用在高導熱的材料里。目前重慶大學有16個鋅合金批準為國家牌號合金,9個鋅合金成為ISO國際標準牌號合金。

      對于低成本,最近有些含錳的三元體系,比如鎂、錳、鋁這個體系,我們會發現隨著錳含量的提升,比如從1提升到3,強度有所下降,但是塑性會急劇上升,斷裂延伸率可以從21%提高到50%。

      剛才提到對于含釓,在室溫下有超高塑性合金比如VK21,純鎂只能達到6.7%,但是通過釓的合金化,加上鋯的細化晶粒,最終強度和塑性能得到大幅度提升,特別是塑性比純鎂和其他合金高很多,能達到60%甚至70%以上。

      同時開發低成本的高塑性的鑄造鎂合金:AE81M。AE81鑄軋的流動性優于常見的AZ91D鎂合金,同時由于加入少量的稀土,對熔體進行一定純化,提高耐腐蝕性。

      同時我們在常見的鎂合金AM50進行一些改進,加入非常微妙的稀土元素,可以把鎂合金比較嚴重的塑性差的問題得到很好的提升,也能提升到20%左右。

      第二方面,匯報一下我們在汽車用鎂合金零部件鑄造工藝優化。

      很多人覺得鎂合金的耐蝕性比較差,最根本的原因是很多年前鎂合金的純凈化做得不好,鋁合金純凈化直接影響到耐蝕性能。重慶大學開發了熔體變溫純化+自純化的工藝,可以顯著降低鐵的含量,顯著提高鎂合金耐蝕性能。比如純化以后,鐵的含量下降2-3個數量級。

      同時,我們還開發了一些熔體夾雜物逆向過濾凈化的原理和裝備,這也在很多鎂合金的企業得到大量應用。同時,我們在開發過程中,還發現比如很多活潑元素可以加入很多的合金,比如鎂合金,我們采用了很多有效控制合金傷損的方法,比如液相包覆技術可以大量提高合金特別是稀土元素的攝得率。

      對于基礎材料來說,強度和塑性同時提升,晶粒細化是很好的概念。重慶大學開發了一些若干金屬化合物在鎂熔化的原位規律和控制機理,開發出了晶粒細化顯著的鎂基細化劑。

      同時重慶大學在鎂合金的構建鑄造模具上進行了設計,結合我們在模具方面學科的優勢做了很多整車零部件的輕量化協同設計,包括零部件結構的再設計。比如我們做鎂合金的鑄造模流分析,對于常見的充型困難的問題對模具進行修改,得到性能很好、鑄造工藝比較優化的參數。

      同時,我們團隊還有一部分采用相場法模擬和揭示鎂合金凝固組織形成與演變規律以及很多缺陷,通過理論研究開發出了一些熔化在線除氣和鑄型強化排氣方法,極大減少氣孔。

      實際上,在航空航天的一些大件上,通常采用重力鑄造。鑄造過程中,經常出現裂紋,我們通過采用補焊實現,但是在壓鑄的過程中,這種補焊基本不可能,所以我們對裂紋做了大量研究。這方面我們主要研究里面的熱裂紋,通過裂紋的敏感指數開發新的合金。同時,我們可以借助一些模擬軟件對裂紋的形成過程進行模擬和預測,防止裂紋的產生。這方面,重慶大學自主開發了一些熱裂的流動性模具,下面這個圖可以看到,一次澆鑄可以同時實現在鎂合金的熱裂、流動性、疏松和偏析的模具,一次鑄造可以檢測多種缺陷。

      剛才我們提到了在鎂合金里面特別是壓鑄里面最大的缺陷,也影響成品率的就是裂紋。我們在裂紋控制方面也做了一些深入研究。首先,我們在合金化方面進行優化,設計一些測試溫度區間比較小的合金,同時添加細化劑設計晶粒細小的合金。第二,充分利用熔體純凈化,我們發現能夠有效改善鎂合金的熱裂缺陷。第三,我們發現對模具的結構設計也非常重要,一個合理的模具設計可以有效避免熱節點,減少熱裂。第四,對于工藝的優化,比如壓鑄模溫也能夠顯著提升鎂合金的抗裂性能。

      第三方面,匯報我們汽車用鎂合金零部件的開發工作。

      通過鎂合金材料和結構的一體化,優化鑄造工藝設計,獲得結構更合理的座椅骨架,通過結構設計、模擬分析、模具設計得到集成度高、尺寸公差小的鎂合金做骨架。除此之外,在鎂合金的中控支架和鎂合金的電池箱外殼等都做了工作。最近我們在做典型的鎂合金的構建,比如8800噸鎂合金的壓鑄系統,我們開發了超大系統的汽車構件(長度1.2-1.4m)。

      第四方面,介紹鎂合金表面處理技術及應用的進展。

      鎂合金比較頭疼的可能是避免處理的問題。

      重慶大學有一個團隊專門做鎂合金表面涂覆的工作,我們從多個方面對它進行研究和工業化應用。這是我們通過表面防護的鎂合金產品,可以發現通過適當的表面處理可以得到外形很好的鎂合金產品。一方面使用鎂合金陽極氧化工藝研究。通過對環保型AZ31鎂合金陽極氧化電解液配方及工藝的調整,可以得到比較好的陽極氧化膜的配方和工藝。另一方面,采用氧化鋁增加鎂合金的陽極耐腐蝕性。

      在前期工作基礎上,我們建立了多條包括陽極氧化、氟碳漆、聚氨漆、尼龍基等等,在行業得到大量的示范和應用。同時,我們最近開發了很多鎂合金表面自修復的流程,特別是做到車外的一些器件時,可能由于石頭磕碰等等出現一些裂紋,我們開發了自修復的膜層技術,可以有效在裂紋形成的過程中或者很短的時間內達到自修復的作用。

      我們的國家鎂合金材料工程技術研究中心是我國唯一的國家級鎂合金專業研究開發平臺、國際標準化組織鎂合金技術委員主席單位。鎂合金中心還是《鎂合金學報》雜志的主辦單位,我們從2013年創刊以來,現在影響因子達到11,也是SCI同類期刊排名第一。

      這是我們最近開發的部分鎂合金的一些產品。

      我的匯報就到這里,謝謝大家。

       
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