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稀土镁合金,稀土硅镁合金

2018年中国稀土镁合金行业发展现状

2018年中国稀土镁合金行业发展现状

原标题:2018年中国稀土镁合金行业发展现状,稀土镁合金应用前景广阔...

一、全球稀土镁合金行业发展现状

稀土镁合金泛指含有稀土元素(rareearth)的镁合金。镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度高、比刚度高、减震性高、易加工、易回收等优点,在航天、军工、电子通讯、交通运输等领域有着巨大的应用市场,特别是在全球铁、铝、锌等金属资源紧缺大背景下,镁的资源优势、价格优势、产品优势得到充分发挥,镁合金成为一种迅速崛起的工程材料。

稀土合金质量轻强度好,适用于高端工业领域。稀土合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀、韧性及延展性好等优点,可大幅度提高其他产品的质量和性能。典型品种如稀土镁合金、稀土铝合金、稀土硅铁合等。稀土合金可明显提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能;也可成为电子、激光、核工业、超导等诸多产业的润滑剂。稀土镁合金比普通镁合金具有更优异的物理性能,是镁合金行业中的新兴领域。2018年全球稀土镁合金市场规模为11.63亿美元,较2017年的10.21亿美元增长13.91%。

2012-2018年全球稀土镁合金市场规模走势

二、中国稀土镁合金行业发展现状

2018年我国稀土镁合金行业市场规模约12.08亿元,同比2017年的9.87亿元增长了22.39%,如下图所示:

2012-2018年稀土镁合金行业市场规模

2013-2018年,我国稀土镁合金行业产量保持相对平稳上升态势,产量从2013年的8.75万吨增长至2018年的12.11万吨,同时增速从2014年开始呈现明显的上升趋势,主要是由于稀土的提炼技术成熟,镁合金的应用逐渐广泛,下游市场需求放量。

2013-2018年中国稀土镁合金行业产量

稀土元素具有很强的化学活性,对镁合金材料能够产生净化、活化、细化和合金化的作用,有利于提升镁合金材料的质量、成型性、耐腐蚀性、机械性能及物化综合性能。有利于直接降低材料重量,提高材质抗性。目前国内稀土镁合金主要应用领域集中在航空航天领域和汽车领域,使其有效减轻设备及本体重量起到节能效果。同时国内消费电子领域也在陆续使用稀土镁合金,由于个体需求量较低,整体占比相对较小。

2018年我国稀土镁合金主要细分领域需求规模占比

稀土镁合金析出强化机制研究

稀土镁合金析出强化机制研究

【摘要】:金属镁及其合金是工程应用中最轻的金属材料,在航空航天、国防军事、汽车交通和“3C”电子等领域受到了广泛的关注,具有广阔的应用前景。然而,镁合金相较其它常用金属材料具有强度较低、热稳定性差的缺点,严重限制了镁合金的推广使用。为此,开发了含有不同添加元素的多种镁合金体系来实现提高强度和工作温度的目的,这其中,具有显著析出强化表现的稀土镁合金被认为是最有前景的高强度镁合金体系,受到的广泛的关注和研究。合金的性能往往取决于它的微观组织结构,因此以研究稀土镁合金组织结构为基础的析出强化机制的研究,成为了开发稀土镁合金的核心问题之一。然而,目前对稀土镁合金析出强化机制的研究主要集中在添加元素、热处理条件、析出相等因素对力学性能的影响,以及热处理条件对析出相种类、形态的影响方面。对稀土镁合金变形过程中的具体析出强化行为的研究仍然较少,且研究主要通过计算和模拟进行,缺少直接的实验证据。因此,本文将以有代表性的Mg-10Gd合金做为研究对象,首先利用时效强化曲线来选择合适的热处理条件;然后通过不同时效状态样品的比较确定显微组织和材料性能间的关系;最后利用自主改进的基于双金属片装置的原位变形样品制备方法,对合金样品进行透射电镜中的原位拉伸变形,实时观察变形过程中位错和析出相之间的相互作用方式,研究析出相对位错运动的影响;另外,还会利用高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)对变形后的样品进行原子尺度的细致观察,研究变形过程中位错运动对析出相造成的影响,确定析出强化的原子机制。具体研究内容如下:1.通过改良现有的原位变形装置,并和基于聚焦离子束系统的微纳加工相结合,开发出可以从多晶合金块体中制备具有指定晶体学取向的透射电镜用原位变形样品的方法。此方法大大简化了原位变形样品的制备流程,并可以保证较高的样品质量。2.对充分固溶的Mg-10Gd样品分别在200°C、225°C和250°C进行了等温时效,并利用显微硬度仪测得了不同时效时间样品的硬度。经过对比,200°C是较为合适的时效温度,Mg-10Gd样品经70小时时效可以达到峰值态,峰值硬度为119.35HV。同时,利用光学显微镜研究了时效时间对Mg-10Gd合金平均晶粒尺寸的影响,固溶态样品的晶粒尺寸约为131.45μm,250小时时效样品的平均晶粒尺寸约为147μm。就此排除了时效过程中晶界强化对样品强度变化的影响。3.参考时效硬化的结果,对具有不同时效时间的Mg-10Gd样品进行单轴拉伸力学性能测试。固溶态样品的屈服强度和断裂强度分别为~126.4MPa和~185.2MPa,延伸率6.47%。而经70小时时效的峰值样品的屈服强度和断裂强度分别为216.3MPa和293.4MPa。合金的拉伸力学性能变化具有明显的阶段性,可以分为初始欠时效阶段、欠时效阶段和过时效阶段。4.利用HAADF-STEM对不同时效时间的Mg-10Gd样品进行了显微组织的观察,研究了析出相的种类、形貌和尺寸等随时效时间的变化。Mg-10Gd合金的显微组织在时效过程中的变化同样具有阶段性。在初始欠时效阶段,样品的显微组织经历了“G.P区出现→β""相形核→β""相诱导β"相形核→β"相长大”的过程。在欠时效阶段,样品的主要显微组织变化为β"相的粗化。在过时效阶段,样品中的主要强化相β"开始了普遍的相变,转化为中间过渡相β_F~′和β_M。5.利用基于双金属片的原位拉伸变形装置,沿[0001]和[12?10]两个带轴对50小时时效Mg-10Gd样品进行了原位拉伸变形研究,不仅观察到析出相阻碍位错运动的现象,同时还观察到位错通过析出相继续滑移的现象,以及当拉伸方向变化时出现的锥面位错非基面滑移。利用HAADF-STEM在Mg-10Gd变形样品的主要强化相β"上发现了普遍存在的未被报道过得变形结构。[0001]和[12?10]两个方向的研究证明,这些变形结构是基面全位错在变形过程中沿基面滑移并切过β"相形成的。这意味着Mg-10Gd合金的析出强化是基于“shearing机制”实现的。根据沿[0001]带轴投影的不同可以将所有变形结构分为五类,分别对应于切过β"相的不同位错,根据变形结构的种类可以判断出变形过程中切过析出相的位错的类型。

稀土镁合金研究与应用进展

稀土镁合金研究与应用进展

中稀土元素主要为Y、Nd、Sm等,以下分别介绍三种合金体系的研究与应用情况。

Mg-Y系合金:稀土元素Y是在镁合金中强化作用最好、应用最广泛、也是研究最深入的元素之一。Y在镁固溶体中具有较高固溶度,平衡固溶度为3.75%(原子分数)/12.47%(质量分数)(566℃),且其固溶度随温度的降低而呈指数关系显著减小,这意味着Mg-Y合金系是典型的可以通过完全热处理沉淀强化的镁合金系。在合金中加入其它合金元素(如:Nd、Zn和Zr等)会明显降低Y在镁中的固溶度,但却能大幅提高合金中析出相的体积分数,从而进一步提高合金的机械性能。

英国开发研制出一系列高温下具有高强度及高蠕变性能的含Nd、Y的WE型镁合金,最先研制出了WE54,WE43合金,使用温度达到250℃,具有较好的浇铸、沉淀析出强化效果和高温抗蠕变性能。WE系合金在经过固溶及时效过程中,合金中依次析出:固溶体(D019)(Mg12NdY,b.c.c)(Mg14Nd2Y,f.c.c)相,这是合金具有优良的室温及高温性能的主要原因。目前WE系列合金是应用相对成熟、研究相对深入的商用镁合金,被广泛应用于航空航天领域中。

在Mg-Y合金中添加Zn、Cu、Ni等元素会形成LPSO结构。LPSO结构是近年来学术界的一个研究热点,具有6H、10H、14H、18R及24R这5种不同类型的LPSO,其对合金增强、增韧具有重要的作用。

KawamuraY等采用快速凝固粉末冶金工艺制备了Mg-Y-Zn合金。室温力学性能最高到达:b=628MPa,0.2=610MPa,A=5.0%,这是目前制备的一种强度最高并具有较高耐腐蚀能力的新型镁合金。具有如此优异的力学性能被认为除与细晶强化、固溶强化、Mg-Y的弥散强化有关之外,合金中的LPSO结构起到了很重要的作用。

在Mg-Y二元合金系中加入Ca和Zr合金元素开发的Mg-Y-Ca-Zr阻燃镁合金,随着Y含量增加,合金的晶粒尺寸减小,抗拉强度、屈服强度增加,而伸长率变化很小。加入Ca和Zr能够细化合金的晶粒组织、提高室温强度,同时不影响合金的时效过程。

Mg-Nd系合金:Nd元素在Mg中的极限固溶度为3.6%(560℃),含有少量Nd的镁合金就已具备了良好的析出强化效果。因此,认为Mg-Nd系二元合金为典型的析出强化合金。在Mg-Nd二元中同时添加微量的Zn和Zr元素,能够进一步促进合金的时效强化效应,细化铸态合金晶粒,提高合金性能。

上海交通大学通过调整Nd/Zn比开发出了低成本的高强度铸造镁合金Mg-Nd-Zn-Zr(JDM1),其铸造性能与AZ91合金相当,其综合力学性能比AZ91大幅度提高。采用高温连续固溶和时效热处理后形成的棱面分布的亚稳析出相(和卢相),使NK30K的室温力学性能改善至:b=300~305MPa,0.2=140MPa,A=11%。此外,该合金还具有中等的高温强度(在250℃,b240MPa)和优良的抗蠕变性能(200℃,100MPa下的稳态蠕变速率均在10数量级)以及优异的耐蚀性能(~0.11mg/cm2d)。

由于JDM1合金采用的是比较廉价的稀土元素而且其加入量也较低,因此合金成本得到很好控制,不超过AZ91D的120%。目前,该合金已应用于国防、汽车轮毂、发动机支架等零部件。

Mg-Sm系合金:Sm元素在Mg中的极限固溶度为5.8%,与Nd元素类似,Mg-Sm合金也具有较好固溶和时效强化效应,与Nd元素所不同的是Mg-Sm系合金相对于Mg-Nd系合金具有更好的铸造性能(流动性、热烈性等),可用于压铸。

近年来,随着航空航天、汽车和3C产品的散热材料不仅追求低密度、高强度,而且要求具有良好的导热性能。虽然镁合金的密度低,比强度高,但是,室温下纯镁的导热系数为156W/(m.K),其他常用镁合金的热导率很低,如商业牌号的AZ91D镁合金在20℃下的热导率仅有52W/(m.K),这极大地限制了镁合金在这些领域的应用。总结散热产品对镁合金性能的基本要求主要有三点:一是合金具有良好的压铸性能,因大部分产品都需要通过压铸方法生产;二是合金具有一定的强度,满足螺栓装配的要求,通常屈服强度在100MPa左右;三是合金具有高的导热系数,通常在100W/(m.K)以上,这些需求为Mg-Sm系合金的应用找了突破。(见表1)

上海交大通过在Mg-Sm二元合金体系中添加Zr元素同时优化Sm元素的含量,开发了一款高导热压铸Mg-Sm-Zr合金(JDDRM1),除具有优良的压铸性能外,合金屈服强度达到了110MPa以上,导热系数达到了120W/(m.K)以上,即将应用于通讯基站的散热单元。

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