镁-铝-稀土合金中Al-RE金属间相稳定性及其对高温蠕变行为的影响研究

Mg-Al-RE heat-resistant alloys have a wide application prospect in automobile and other related fields.Whether the main strengthening phase Al11RE3 is thermally stable, namely whether the phase can decompose in the alloys, is very important for the high-temperature creep resistace.The project puts forward that the thermal stability of the Al-RE intermetallic phases varies with the kinds of the rare earth (RE=La, Ce, Pr, Nd).Taking the factors of temperature, stress and etc.into account, we use both the experiments and the first-principle calculation to study the thermal stability of the Al-RE intermetallics, including the phase decomposition conditions and process. Besides application of the traditional creep theory, we investigate the evolution of microstructure in the micro-/nano-scale during creep deformation and clarify the effect of phase decomposition on creep resistance, deeply revealing the importance of Al-RE phase stability for the heat-resistance. And finally, the creep deformation mechanism is established. In summary, it has great significances to accurately understand the thermal stability of the main strengthening phase and its effect on the creep behavior of Mg-Al-RE alloys, which can provide theoretical guidance for designing new heat-resistant magnesium alloys and rationally developing automotive transmission components.

Mg-Al-RE系耐热镁合金在汽车等产业具有广阔的应用前景，合金中主要增强相Al11RE3是否具有高的热稳定性，即是否存在相分解，对合金高温抗蠕变性能至关重要。本项目从不同单一稀土（La、Ce、Pr、Nd）形成的Al-RE金属间相热稳定性差异出发，综合考虑稀土种类、温度、应力等影响因素，利用第一性原理计算和实验两种手段，研究Mg-Al-RE合金中不同Al-RE金属间相的热稳定性，包括相分解的过程及条件；除采用传统蠕变理论外，从微/纳观角度阐明Al-RE金属间相分解对合金蠕变抗力的影响及其机理，揭示增强相稳定性对合金抗蠕变性能的重要性，并建立合金高温蠕变变形机制。准确认识Mg-Al-RE系合金主要增强相的热稳定性及其对合金高温蠕变行为的影响，为设计新型耐热镁合金和合理使用该系合金开发汽车等耐热部件提供重要理论指导。

随着对汽车性能、节能和尤其是环保等方面的要求越来越高，扩大轻质镁合金在汽车上的应用势在必行。而镁合金在汽车上的大量应用很大程度上取决于传动系统用耐热镁合金的开发。我国镁和稀土资源均特别丰富，在我国研究含稀土耐热压铸镁合金具有独特优势。Mg-Al-RE系耐热镁合金在汽车领域具有很大应用潜力，合金中主要增强相热稳定性对合金高温性能至关重要，而这一关键科学问题目前尚不明确。本项目是在以上应用和科学背景下提出。准确认识Mg-Al-RE系合金主要增强相热稳定性及其对性能影响，能够为设计新型耐热镁合金和合理使用合金开发汽车耐热部件提供重要指导。.本项目系统研究了不同轻稀土（La、Ce、Nd和混合稀土）的Mg-4Al-4RE压铸镁合金的微观组织、金属间增强相热稳定性和相关性能，得出以下结论：（1）含不同稀土的合金中，强化相Al11RE3和Al2RE的含量和比例都不同，其中AlLa44合金强化相含量最高，起主要强化作用的针状/层片状Al11La3相含量也最高，均高于添加混合稀土的商业AE44合金。AlNd44合金强化相含量最低，Al11Nd3相仍然占多数，但作为主要强化相优势不明显。（2）含不同稀土合金的强化相在200°C条件下均能长期稳定存在。提高温度(400°C)后，Al11La3在1000h的条件下部分发生形貌变化，由针状转变为粒状；相同时长下Al11RE3全部转变为粒状；Al11Ce3和Al11Nd3分别在200h和30h时全部转变为粒状，热稳定性大幅下降，与此同时Al11Nd3还发生了相变(Al11Nd3→Al2Nd)。同时本项目研究还确认应力同样是影响金属间相稳定性重要因素，在应力存在下金属间增强相热稳定性明显降低。总之不同条件实验研究和第一性原理计算均表明Al11La3最稳定。（3）200°C/70MPa蠕变测试条件下，AlLa44合金表现出最好蠕变抗性，最小蠕变速率仅为1.17×10-9s-1，远小于其它几种合金。AE44合金与AlCe44合金蠕变性能相差不大。AlNd44合金抗蠕变性能最差，20余小时即发生断裂。晶界滑移是压铸Mg-Al基合金主要蠕变机制，几种分布在晶界附近主要强化相中Al11La3最稳定，因而Mg-Al-La压铸合金晶界附近微观组织最稳定，因此几种不同稀土合金中AlLa44抗蠕变性能最好。新型Mg-Al-La基耐热压铸合金最具开发价值和应用潜力。