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【日本】熊本大學(xué)開發(fā)的高熱傳導(dǎo)、高強(qiáng)、高延展性新鎂合金簡介

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傳統(tǒng)的鎂合金AZ91D (ASTM符號(hào))的熱傳導(dǎo)率為60W/m.K。 因此,如果在高溫環(huán)境下或用于在使用過程中老化的部件,則存在著不能良好地散熱的問題,導(dǎo)致部件熱變形和部件強(qiáng)度不足的問題。

  文獻(xiàn)來源于日本國立大學(xué)法人熊本大學(xué)公開資料
  傳統(tǒng)的鎂合金AZ91D (ASTM符號(hào))的熱傳導(dǎo)率為60W/m.K。
  因此,如果在高溫環(huán)境下或用于在使用過程中老化的部件,則存在著不能良好地散熱的問題,導(dǎo)致部件熱變形和部件強(qiáng)度不足的問題。
  熊本大學(xué)成功開發(fā)出與以往不同的不含LPSO層的新合金。通過合金組成和熱處理最優(yōu)化,高導(dǎo)熱率140W/m.K由擠出加工產(chǎn)生高強(qiáng)度·高延性化0.2%耐力 350MPa 以上,延性9% 以上。
  延伸閱讀1:
  2012年4月,熊本大學(xué)先進(jìn)鎂國際研究中心宣布開發(fā)出一種不燃性高強(qiáng)度鎂合金(在2003年研究中心開發(fā)出革命性的KUMADAI鎂合金,具有前所未有的強(qiáng)度和耐熱性。),其著火溫度為1105℃,超過了鎂的沸點(diǎn),機(jī)械強(qiáng)度為460 MPa,被稱為KUMADAI不燃鎂合金(Mg-10%Al-5%Ca合金)”。AZ31合金含有3%的鋁和1%的鋅,比較容易變形,因此產(chǎn)品主要采用軋制或擠壓的方式制造。另一方面,含9%鋁和1%鋅的AZ91合金用于鑄造、壓鑄和觸變成型等熔融加工方法。另外,為了提高耐熱性和機(jī)械性能,還開發(fā)了添加少量稀土元素的合金。
  延伸閱讀2:
  熊本大學(xué)國際先進(jìn)鎂研究中心(主任:Yoshito Kawamura)成功地加強(qiáng)了熊臺(tái)鎂合金的韌性。這導(dǎo)致斷裂韌性可與傳統(tǒng)飛機(jī)高強(qiáng)度鋁合金相媲美※1我們實(shí)現(xiàn)了機(jī)械強(qiáng)度“輕、強(qiáng)、韌的鎂合金”,重量最多可減輕15%,在飛機(jī)安裝方面取得了長足的進(jìn)步。
  金屬鎂是實(shí)用金屬中最輕的金屬,作為一種環(huán)保的下一代輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,有助于減輕飛機(jī)和汽車等運(yùn)輸設(shè)備的重量,因此備受關(guān)注。特別是自2015年美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)解除商用飛機(jī)使用鎂的禁令以來,鎂合金的研究與開發(fā)在飛機(jī)領(lǐng)域得到了積極推動(dòng)。熊本大學(xué)國際先進(jìn)鎂研究中心開發(fā)了兼具高強(qiáng)度、高耐熱性和阻燃性的熊臺(tái)耐熱鎂合金?!?我們一直在從基礎(chǔ)和應(yīng)用的角度進(jìn)行研究和開發(fā)。特別是,熊臺(tái)耐熱鎂合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料,因其通過了FAA的鎂燃燒測試,并已用于新能源和工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織(NEDO)的“下一代結(jié)構(gòu)部件創(chuàng)造和加工技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目而受到關(guān)注。熊本大學(xué)一直與三菱重工合作進(jìn)行研究和開發(fā)。
  除了重量輕外,飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料還必須具有機(jī)械強(qiáng)度和抗開裂性。換句話說,不僅要有“強(qiáng)度”,還要有“韌性”,即使受傷也不會(huì)輕易斷裂。作為總體趨勢,屈服強(qiáng)度※3有人說,很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和斷裂韌性,因?yàn)椴牧显礁?,斷裂韌性越低,這表明韌性。與飛機(jī)高強(qiáng)度鋁合金相比,現(xiàn)有的高強(qiáng)度鎂合金具有特定的屈服強(qiáng)度,表達(dá)了輕質(zhì)和強(qiáng)度?!?斷裂韌性值低5%左右,斷裂韌性值低1%左右,作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料存在問題。此外,使用熊本大學(xué)專有的超淬火方法生產(chǎn)的熊臺(tái)淬火耐熱鎂合金,其比屈服強(qiáng)度比現(xiàn)有的飛機(jī)用高強(qiáng)度鋁合金高出5%以上,并有可能顯著減輕航空結(jié)構(gòu)件的重量。其斷裂韌性與常規(guī)鎂合金一樣低,甚至沒有達(dá)到飛機(jī)用高強(qiáng)度鋁合金斷裂韌性的下限(18 MPa√m)。
  在這項(xiàng)研究中,我們通過優(yōu)化KUMDAI淬火冷卻耐熱鎂合金的制造工藝條件和合金成分,展示了納米結(jié)構(gòu)控制(幾百納米)我們成功地將韌性提高了約1.5倍,實(shí)現(xiàn)了20.5 MPa√m的高斷裂韌性值和220 kNm/kg的高比屈服強(qiáng)度。開發(fā)出一種新型“輕、強(qiáng)、韌的飛機(jī)用鎂合金”,其斷裂韌性可與傳統(tǒng)的飛機(jī)用高強(qiáng)度鋁合金相媲美,機(jī)械強(qiáng)度可減輕約15%,大大推進(jìn)了熊臺(tái)耐淬火鎂合金在飛機(jī)上的應(yīng)用。
  未來,我們計(jì)劃(1)進(jìn)一步提高強(qiáng)度、強(qiáng)度和不燃性,以及(2)與波音公司等國內(nèi)外飛機(jī)制造商合作,對特定飛機(jī)部件進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和評估。同時(shí),我們計(jì)劃(3)與材料制造商一起開發(fā)低成本、大規(guī)模生產(chǎn)的材料技術(shù),并推動(dòng)開發(fā)的鎂合金在飛機(jī)上的實(shí)施。


  [詞語解釋]
  *1 斷裂韌性: 它是指具有裂紋和裂紋狀缺陷的材料的“抗裂紋進(jìn)展”,以及即使損壞也不易斷裂的“韌性”。由于實(shí)際材料存在裂紋和裂紋狀缺陷,例如表面劃痕,因此在設(shè)計(jì)運(yùn)輸設(shè)備部件等時(shí),采用即使存在不可避免的缺陷也能確保安全的設(shè)計(jì)方法,假設(shè)存在一定數(shù)量的缺陷。在這種情況下,材料的斷裂韌性值是重要的數(shù)據(jù)。在比較同類型的金屬材料時(shí),一般趨勢是屈服強(qiáng)度越高,斷裂韌性越低,因此在開發(fā)具有優(yōu)越強(qiáng)度的材料時(shí),需要均衡地提高屈服強(qiáng)度和斷裂韌性。通常,使用CT試件(緊湊型張力,CT試件)進(jìn)行測量是按照國際標(biāo)準(zhǔn)(ASTM標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行的。 對于鎂合金,斷裂韌性值(K集成電路鎂合金的強(qiáng)度太低,所以只有少數(shù)被發(fā)表。
  *2 熊臺(tái)鎂合金:該合金由熊本大學(xué)開發(fā),主要有兩種類型。第一種是Mg-Zn-Y型KUMADAI耐熱鎂合金(鎂與鋅和釔),兼具高強(qiáng)度、高耐熱性和阻燃性。另一種是基于Mg-Al-Ca(添加鋁和鈣的鎂)的KUMADAI不燃鎂合金,它兼具高強(qiáng)度、不燃性和高耐腐蝕性。每種產(chǎn)品都使用對鑄造材料進(jìn)行塑性加工的“鑄造方法”和“淬火方法”,其中熔融合金的熔融金屬以每秒2,10°C的冷卻速率快速凝固并凝固并成型成塊。本研究開發(fā)的“KUMDAI耐熱鎂合金”是淬火法生產(chǎn)的KUMDAI耐熱鎂合金。通過使用淬火方法,可以獲得幾百納米或更小的超細(xì)晶體結(jié)構(gòu),并且可以獲得普通鑄造方法無法獲得的高強(qiáng)度和高耐腐蝕性等優(yōu)良的材料性能。
  *3 屈服強(qiáng)度和比屈服強(qiáng)度:當(dāng)材料被加載時(shí),它會(huì)發(fā)生彈性變形(像彈簧一樣,在卸載時(shí)會(huì)恢復(fù)到原來的形狀),但當(dāng)超過一定負(fù)載時(shí),它會(huì)發(fā)生塑性變形(即使在卸載后仍然存在永久變形)。屈服強(qiáng)度是通過在從彈性變形過渡到塑性變形時(shí)將材料上的載荷除以橫截面積(單位面積載荷)而獲得的。比屈服強(qiáng)度是屈服強(qiáng)度除以材料的比重(單位重量屈服強(qiáng)度)得到的值,它代表材料的輕質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度(比屈服強(qiáng)度越高,越輕越強(qiáng))。