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中国工程院院士潘复生:镁合金零部件的大规模应用有助于轻量化和节能减排

来源:光明网2022-08-12 16:27

  8月10-12日,第十五届国际汽车轻量化大会暨展览会在江苏扬州盛大召开,行业专家学者、业内精英齐聚扬州,共襄中国汽车轻量化领域一年一度之盛举,交流探讨汽车轻量化领域的最新技术和发展成果。

  在大会的技术报告环节,因中国工程院院士、国家镁合金材料工程研究中心主任、重庆大学教授潘复生先生因故未能来到大会现场,由重庆大学博士生导师谭军教授代其现场演讲,主题为:轻量化材料成形工艺与产业化应用技术。

中国工程院院士潘复生:镁合金零部件的大规模应用有助于轻量化和节能减排

  重庆大学教授、博士生导师谭军

  潘复生院士主要观点如下:(谭军教授代讲)

  1、通过固溶强化,增加适当原子固溶到镁基体,增加基面滑移的阻力,适当降低非基面滑移阻力,从而提高塑性。

  2、通过晶粒细化、熔体纯净化、优化模具结构设计等方式可以有效提升镁合金的抗裂性能。

  3、通过阳极氧化、增加阳极耐腐蚀性等处理方式对镁合金产品的表面防护、整体塑形有很好的改善作用。

  以下内容为现场演讲实录:(谭军教授代讲)


  各位领导、各位专家、各位朋友,今天我代表国家镁合金材料工程技术研究中心给大家汇报这几年我们在轻量化材料,特别是在镁合金方面的研究应用工作,我叫谭军。

  主要从以下四方面给大家作汇报。

  刚才毛院士提到钢铁在汽车上有很大用处,但是今天要讲的是镁。首先从资源来说,铁和铝的资源相比镁要相对短缺,而镁矿资源极其丰富,不管是白云石的磷煤矿以及在青海盐湖的氯化镁都有大量储量,同时海水中有大量丰富的镁资源。所以我们认为镁资源是取之不尽、用之不竭的好材料。

  目前,汽车和3C产品是镁合金消费的主要大户。从统计表可以看出,镁合金在汽车上的用量超过60%,而镁合金的密度仅是铝合金的三分之二,钢铁的四分之一,因此镁合金的零部件轻量化效果十分显著。国际镁协评价认为,镁合金零部件全生命周期节能减排效果显著,镁合金零部件大规模应用,有助于轻量化和节能减排,助推国家“双碳”目标。

  第一方面,汇报镁合金结构材料的部分。

  新材料开发方面,镁合金和钢铁、铝合金一样,都是基于元素周期表添加一些适量的合金化元素达到目的。根据教科书所讲,首先第一种获得很好的镁合金的方法就是采用固溶强化方法。这种方法首先要形成一种固溶体。第二种方法就是用第二相强化和细化晶粒。我们知道镁合金和钢铁材料和铝合金不太一样,镁合金是一种立方的晶格,基面滑移系非常少,所以塑性相对较低。从图中可以看到,基面滑移启动非常容易,也就是说材料特别是镁合金的强度也会相对较低,很难启动非基面的滑移,而只有温度上升到大概两三百度时,非基面的滑移才能启动,这时候多面的滑移才能得到很好的塑性。

  我们第一个想法是固溶强化。我们研究了很多固溶原子,如果加适当的固溶原子,发现它和镁的尺寸不一样,在这里形成固溶原子首先想到的是会有晶格的基变,更希望的是固溶原子能够使各个滑移线的密度增加,这样开启其他非基面的滑移。因此重庆大学在前期工作的基础上,我们提出固溶强化增塑的合金设计理念。首先靠增加适当原子固溶到镁基体里面取代一定的镁原子,这样可以增加滑移的阻力,可以使得镁基面的滑移阻力提升。通过不同的原子,提升不一样的效果。另一方面,如何提高强度?要提高塑性,必须启动非基面的滑移,此时适度降低非基面滑移和基面滑移的阻力,这样一方面可以提高基面滑移阻力,另一方面可以让非基面上的滑移阻力没那么快或者适当降低,提高材料塑性。

  基于前面的思想,重庆大学在过去二十来年开发了大量的镁合金,包括很多高强度的变形镁合金和铸造镁合金。比如变形镁合金强度可以达到500-550MPa,延伸率可以达到10%以上。而高强度的铸造镁合金强度可以通过适当的热处理达到350-380Mpa。里面还有一些低成本的无稀土的变性合金,还有一些高塑性合金,还有超高塑性合金,纯镁的合金非常少只有10%以下,但是合金化以后,通过固溶强化增塑延伸率可以提高50%-60%。同时开发了一些超轻合金,在航空航天有很多用处。同时还利用镁合金很多优异功能特性,比如做高电磁屏蔽性合金,还可以用在高导热的材料里。目前重庆大学有16个锌合金批准为国家牌号合金,9个锌合金成为ISO国际标准牌号合金。

  对于低成本,最近有些含锰的三元体系,比如镁、锰、铝这个体系,我们会发现随着锰含量的提升,比如从1提升到3,强度有所下降,但是塑性会急剧上升,断裂延伸率可以从21%提高到50%。

  刚才提到对于含钆,在室温下有超高塑性合金比如VK21,纯镁只能达到6.7%,但是通过钆的合金化,加上锆的细化晶粒,最终强度和塑性能得到大幅度提升,特别是塑性比纯镁和其他合金高很多,能达到60%甚至70%以上。

  同时开发低成本的高塑性的铸造镁合金:AE81M。AE81铸轧的流动性优于常见的AZ91D镁合金,同时由于加入少量的稀土,对熔体进行一定纯化,提高耐腐蚀性。

  同时我们在常见的镁合金AM50进行一些改进,加入非常微妙的稀土元素,可以把镁合金比较严重的塑性差的问题得到很好的提升,也能提升到20%左右。

  第二方面,汇报一下我们在汽车用镁合金零部件铸造工艺优化。

  很多人觉得镁合金的耐蚀性比较差,最根本的原因是很多年前镁合金的纯净化做得不好,铝合金纯净化直接影响到耐蚀性能。重庆大学开发了熔体变温纯化+自纯化的工艺,可以显著降低铁的含量,显著提高镁合金耐蚀性能。比如纯化以后,铁的含量下降2-3个数量级。

  同时,我们还开发了一些熔体夹杂物逆向过滤净化的原理和装备,这也在很多镁合金的企业得到大量应用。同时,我们在开发过程中,还发现比如很多活泼元素可以加入很多的合金,比如镁合金,我们采用了很多有效控制合金伤损的方法,比如液相包覆技术可以大量提高合金特别是稀土元素的摄得率。

  对于基础材料来说,强度和塑性同时提升,晶粒细化是很好的概念。重庆大学开发了一些若干金属化合物在镁熔化的原位规律和控制机理,开发出了晶粒细化显著的镁基细化剂。

  同时重庆大学在镁合金的构建铸造模具上进行了设计,结合我们在模具方面学科的优势做了很多整车零部件的轻量化协同设计,包括零部件结构的再设计。比如我们做镁合金的铸造模流分析,对于常见的充型困难的问题对模具进行修改,得到性能很好、铸造工艺比较优化的参数。

  同时,我们团队还有一部分采用相场法模拟和揭示镁合金凝固组织形成与演变规律以及很多缺陷,通过理论研究开发出了一些熔化在线除气和铸型强化排气方法,极大减少气孔。

  实际上,在航空航天的一些大件上,通常采用重力铸造。铸造过程中,经常出现裂纹,我们通过采用补焊实现,但是在压铸的过程中,这种补焊基本不可能,所以我们对裂纹做了大量研究。这方面我们主要研究里面的热裂纹,通过裂纹的敏感指数开发新的合金。同时,我们可以借助一些模拟软件对裂纹的形成过程进行模拟和预测,防止裂纹的产生。这方面,重庆大学自主开发了一些热裂的流动性模具,下面这个图可以看到,一次浇铸可以同时实现在镁合金的热裂、流动性、疏松和偏析的模具,一次铸造可以检测多种缺陷。

  刚才我们提到了在镁合金里面特别是压铸里面最大的缺陷,也影响成品率的就是裂纹。我们在裂纹控制方面也做了一些深入研究。首先,我们在合金化方面进行优化,设计一些测试温度区间比较小的合金,同时添加细化剂设计晶粒细小的合金。第二,充分利用熔体纯净化,我们发现能够有效改善镁合金的热裂缺陷。第三,我们发现对模具的结构设计也非常重要,一个合理的模具设计可以有效避免热节点,减少热裂。第四,对于工艺的优化,比如压铸模温也能够显著提升镁合金的抗裂性能。

  第三方面,汇报我们汽车用镁合金零部件的开发工作。

  通过镁合金材料和结构的一体化,优化铸造工艺设计,获得结构更合理的座椅骨架,通过结构设计、模拟分析、模具设计得到集成度高、尺寸公差小的镁合金做骨架。除此之外,在镁合金的中控支架和镁合金的电池箱外壳等都做了工作。最近我们在做典型的镁合金的构建,比如8800吨镁合金的压铸系统,我们开发了超大系统的汽车构件(长度1.2-1.4m)。

  第四方面,介绍镁合金表面处理技术及应用的进展。

  镁合金比较头疼的可能是避免处理的问题。

  重庆大学有一个团队专门做镁合金表面涂覆的工作,我们从多个方面对它进行研究和工业化应用。这是我们通过表面防护的镁合金产品,可以发现通过适当的表面处理可以得到外形很好的镁合金产品。一方面使用镁合金阳极氧化工艺研究。通过对环保型AZ31镁合金阳极氧化电解液配方及工艺的调整,可以得到比较好的阳极氧化膜的配方和工艺。另一方面,采用氧化铝增加镁合金的阳极耐腐蚀性。

  在前期工作基础上,我们建立了多条包括阳极氧化、氟碳漆、聚氨漆、尼龙基等等,在行业得到大量的示范和应用。同时,我们最近开发了很多镁合金表面自修复的流程,特别是做到车外的一些器件时,可能由于石头磕碰等等出现一些裂纹,我们开发了自修复的膜层技术,可以有效在裂纹形成的过程中或者很短的时间内达到自修复的作用。

  我们的国家镁合金材料工程技术研究中心是我国唯一的国家级镁合金专业研究开发平台、国际标准化组织镁合金技术委员会主席单位。镁合金中心还是《镁合金学报》杂志的主办单位,我们从2013年创刊以来,现在影响因子达到11,也是SCI同类期刊排名第一。

  这是我们最近开发的部分镁合金的一些产品。

  我的汇报就到这里,谢谢大家。

[ 责编:肖春芳 ]
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