【文章內(nèi)容簡介】 索與研發(fā) MgGdNdx(Zr, Zn） 系新型合金探索與研發(fā) MgSmz 系新型合金探索與研發(fā) 比較、分析、綜合考評，可作為目標實驗合 金？ 合金熔配、 凝固組織控制與成型技術研究 合金熱處理、表面處理技術研究 分析，測評 , 符合預定性能 ? 項目總結(jié)和驗收 重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 17 元素對合金凝固過程與固液界面的影響，控制合金凝固組織，優(yōu)化合金鑄造工藝性能。研究重力和反重力鑄造條件下實驗合金的凝固組織特性和鑄造缺陷產(chǎn)生機理，尋求合理鑄造工藝和缺陷防治措施。根據(jù)固態(tài)相變原理，研究熱處理條件對實驗合金相形成、相析出、相轉(zhuǎn)變規(guī)律及相應條件下組織和力學行為尤其是 250℃ 以上高溫力學行為和蠕變行為的影響規(guī)律，分析變化產(chǎn)生的組織機理，揭示變化規(guī)律，完成目標合金的組織優(yōu)化設計，制定其熱處理工藝。 （ 3）根據(jù)化學置換原理，尋找去除中稀土 /重稀土實驗鎂合金熔體中冶煉初級產(chǎn)品帶入的雜質(zhì)元素如 Ca、 Ti、 Fe 等的適合去雜質(zhì)熔劑材料和雜質(zhì)去除方法；研究不同保護性氣體混合條件下中稀土 /重稀土實驗鎂合金的氧化和燃燒行為特性，包括氧化膜的結(jié)構、氧化膜再生速度，以及研究不同保護性氣氛與鎂液共存時合金液面的化學反應機制及反應產(chǎn)物的結(jié)構和阻燃效應，再通過對比和分析，發(fā)展中稀土 /重稀土實驗合金的低成本保護技術和低成本高質(zhì)量熔配技術。 （ 4）確定試驗合金坯錠的晶粒細化方法，包括合金化細化方法和鑄錠強制冷卻細化方法；確定反重力澆注條件下 “無污染 ”高質(zhì)量坯錠的鑄造成形工藝。探索控制和減輕鑄造合金凝固組織偏析的方法。 （ 5）擠壓變形工藝的實現(xiàn)：完成所需溫擠壓模具的設計和制造，完成擠壓模具的調(diào)試安裝。探索并優(yōu)化選定項目所需不同規(guī)格的目標試驗合金棒材在生產(chǎn)條件下的擠壓成形工藝，包括鑄錠的均勻化處理方法、鑄錠的預變形方式和鑄錠的擠壓溫度、擠壓速度、潤滑方式、擠壓比等工藝參數(shù)優(yōu)化。實驗確定不同規(guī)格棒材 /管材的熱處理強 化工藝方法和工藝參重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 18 數(shù)。確定棒材校正工藝方法和相關的退火處理工藝參數(shù)。 、研究方法 （ 1）采用光學和電子金相顯微鏡觀察實驗合金顯微組織，采用掃描電鏡、透射電鏡和 X 射線衍射儀分析相結(jié)構，采用 X 射線能譜儀和電子探針相分析微區(qū)成分，采用差示量熱分析儀測定相變點，采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀分析合金化學成分。 （ 2）采用高溫 /低溫 /室溫力學性能試驗機、鎂合金電子蠕變松弛試驗機和疲勞試驗機等測量實驗合金力學行為特性，采用鹽霧試驗箱和極化曲線儀分析合金的腐蝕特性。 （ 3）采用重力鑄造和反重力鑄造成型設備開展試驗，采用氣體保護和熔劑保護并行的方法，在鎂合金專用電阻熔化爐中進行熔化工藝試驗。 （ 4）采用立式鎂合金淬火爐、時效爐和低溫環(huán)境箱等進行熱處理實驗研究。 （ 5）采用增重法測定實驗鎂合金在連續(xù)加熱過程中的氧化增重曲線，利用 X 射線衍射、 X 射線光電子分析儀、掃描電鏡和俄歇能譜分析在不同溫度下氧化膜的組成、結(jié)構及致密度，為鎂合金氣體保護設計提供科學數(shù)據(jù)。 （ 6）結(jié)合優(yōu)化理論，進行試驗研究，優(yōu)化試驗參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，使得試驗結(jié)果和試驗參數(shù)更加準確、更具代表性。采用優(yōu)化理論，優(yōu)化篩選試驗目標試驗合金成分范圍，節(jié)約試驗資源，降低試驗成本。 、可能取得的知識產(chǎn)權分析 通過本課題組前期的研究工作，課題組已經(jīng)開發(fā)出新型高性能耐熱重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 19 鑄造鎂合金 4 種，其中兩種性能達到與 WE43 合金相當?shù)乃剑褂贸杀敬蠓档?，可應用?200~350℃ 溫區(qū)；另兩種試驗合金性能達到 ZM1合金的室溫性能指標，但高溫性能顯著提高，可在 150~250℃ 溫區(qū)良好應用，同時該新合金的塑性變形能力良好， 可望通過塑性加工進一步提高各項性能。這 4 種合金通過查新，尚未有人涉足，可望獲得專利。 同時，鎂合金精密鑄造試驗也在實驗室階段取得良好效果，模殼材料和鎂熔體保護方法已基本確定，鎂合金精密鑄造原理性試驗基本完成，已澆鑄出外觀質(zhì)量良好、內(nèi)部質(zhì)量合格的鎂合金精鑄樣件。目前鎂合金精密鑄造工藝方法與反重力鑄造方法的結(jié)合試驗正在進行。該項技術成熟后，可以申請鎂合金精鑄工藝專利和熔體保護專利。 最后，變形鎂合金擠壓塑性加工研究和開發(fā)方案已經(jīng)形成，目前正在作啟動前的準備。這方面的研究準備在新型高性能鑄造鎂合金設計完成之后開始，通過進一步調(diào)整成分和工藝參數(shù)調(diào)整來設計新型變形鎂合金，并通過合理的工裝設計和設備定制，保證高性能耐熱變形鎂合金的擠壓成型生產(chǎn)，確保在本課題執(zhí)行后期取得成功，能夠小批量生產(chǎn)出變形鎂合金型材及棒材，相關生產(chǎn)工藝和合金設計均可作為專利進行申請。 項目的技術來源、合作單位情況、知識產(chǎn)權歸屬情況 本項目的知識產(chǎn)權明晰，其來源為 XX 工業(yè)大學材料科學與工程學院的科研成果。包括 3 項省部 級科技成果獎。其未來的合金設計和制備技術工作知識產(chǎn)權將與項目投約定共享，相關的鑄造技術知識產(chǎn)權的工程化應用成果也會按相關約定與項目合作單共享，并 優(yōu) 先 進行使用 , 以 滿足項目協(xié)作單位的產(chǎn)品需求。 重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 20 2. 成熟性和可靠性 、新型高性能耐熱稀土鑄造鎂合金技術成果 西近期聯(lián)合開發(fā)出 4 種成份的新型高性能耐熱稀土鑄造鎂合金，其室溫力學性能見表 1, 部分合金的高溫瞬時力學性能見表 2 和表 3，其他力學性能如蠕變和疲勞性能指標均優(yōu)于 ZM6 合金。 其中 Alloy1 和 Alloy2 兩種試驗鑄造合金可應用于 200~350℃ 溫區(qū)；另兩種試驗合金 Alloy3 和 Alloy4 的綜合性能良好，但高溫性能較 Alloy1和 Alloy2 合金低，可在 150~250℃ 溫區(qū)良好應用。 四種新型鎂合金抗腐蝕性能優(yōu)良，鑄造工藝性能優(yōu)良，可適于砂鑄、金屬型鑄造、精鑄以及壓力鑄造。尤其適于發(fā)動機部件如缸蓋、進氣歧管、齒輪箱體等耐熱構件的鑄造，也可用于航空、航天和汽車工業(yè)中的其他耐熱構件上。 表 1 數(shù)種新型高性能耐熱鑄造鎂合金的室溫力學性能 新型鎂合金 狀 態(tài) σb/MPa Alloy 1 S, T6 250~295 180~190 ~ Alloy 2 S, T6 245~275 175~180 ~ Alloy 3 S, T6 240~285 130~145 ~ Alloy 4 S, T6 260~280 142~150 ~% 表 2. 一組新型高性能耐熱鎂合金典型高溫瞬時力學性能 Alloy No. 試驗溫度/℃ 抗拉強度/MPa 屈服強度 /MPa 延伸率 /% Alloy 2 200 230 141 250 215 155 300 141 121 350 96 92 重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 21 表 3. 一組新型高性能耐熱鎂合金典型高溫瞬時力學性能 Alloy No. 試驗溫度/℃ 抗拉強度/MPa 屈服強度 /MPa 延伸率 /% Alloy 3 150 173 104 200 145 89 250 121 83 300 79 68 、鎂合金精密鑄造工藝技術研究成果 （ 1）開發(fā)出不含稀土鎂合金精密鑄造技術，所開發(fā)的鎂合金保護措施較為合理，型殼材料適用性強，所鑄鎂合金精鑄樣件表面光潔，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良。 （ 2）含稀土鎂合金精密鑄造技術的原理實驗也已經(jīng)成功，所開發(fā)的鎂合金保護措施基本合理，型殼材料適用性強，所鑄精鑄樣件表面光潔，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良。 、本項目現(xiàn)已成熟的技術和裝備： （ 1） 適于中溫范圍（ 150~250℃ ）應用的高性能耐熱鎂合金系列和適于高溫范圍（ 250~350℃ ）應用的高性能耐熱鎂合金系列產(chǎn)品 （ 2）鎂合金反重力成形設備和技術 （ 3）快速成型技術 （ 4）鎂合 金熱處理設備 （ 5）鎂合金系列熔煉設備 （ 6）工藝模擬軟件和熱力學計算軟件 （ 7） 300 噸擠壓成型設備 本項目采用的同類鎂合金反重力鑄造裝備已在沈陽鑄造研究所投入使用，已生產(chǎn)出 噸的鎂合金大型艙段鑄件。并通過了專家組的驗收，重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 22 獲得了極高的評價。目前實驗室已裝備了一臺 30kg 熔化能力的鎂合金反重力（包括低壓、調(diào)壓和差壓功能）鑄造裝備一臺，為本項目實施提供了裝備保證。 本項目采用的北京隆源快速成型機，在鑄件模樣的制備上得到了國內(nèi)同行的認可。在與成飛公司的鋁合金整體復雜薄壁鑄件的快速試制研制中表現(xiàn)出了尺寸和收縮的一致性。 本項目采用的井式熱處理設備是目前國內(nèi)鎂合金熱處理的標準設備。 產(chǎn)品開發(fā) 實驗室完全具備鎂合金進行熔化試驗的系列設備，同時購買了 MAGMA 工藝模擬軟件和 Thermal Calc 熱力學計算軟件，為合金成分優(yōu)化和鑄件工藝優(yōu)化提供了平臺。 、 大型復雜薄壁鋁合金、鎂合金構件的反重力鑄造技術 在工藝方法和裝備研制方面取得了以下創(chuàng)造性工作：①采用自行提出的總體方案， 自主開發(fā)的控制算法和軟件，自行設計的氣路和邏輯控制系統(tǒng)，開發(fā)出可澆注 1噸以上鋁合金鑄件的反重力鑄造裝備；②開發(fā)出用于大型復雜鑄件反重力鑄造的數(shù)字式組合閥，實現(xiàn)了反重力鑄造過程壓力精確控制，獲得精確的壓力跟蹤特性；③提出了反重力鑄造條件下線性充型的工藝設計原則，并將其固化在鑄造工藝控制軟件中；④提出了解決薄壁構件充型過程分流、匯流、突變截面、排氣等問題的反重力鑄造澆注系統(tǒng)設計原理和方法；⑤提出了反重力鑄造條件下凝固補縮原則和工藝設計方法，即澆注系統(tǒng)主體補縮和冷卻筋等輔助補縮；⑥發(fā)現(xiàn) A357 合金液中晶粒細化與變 質(zhì)的相互作用，找出了理想的添加劑及加入量搭配；發(fā)現(xiàn) A357合金熔體過熱處理的變質(zhì)效果，并用于冶金質(zhì)量控制；優(yōu)化出合理的 Mg元素含量，使 A357 合金鑄件性能優(yōu)于國外；⑦發(fā)明了既可提高合金液充型能力，又可增大凝固冷卻速率的焓變涂料；⑧提出 A357 合金鑄件熱處理過程中淬火轉(zhuǎn)移時間、固溶溫度與時間、時效溫度與時間的優(yōu)化工藝，重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 23 并首次將有機溶劑用于大型薄壁鋁合金鑄件的淬火介質(zhì)，并解決了防變形問題；⑨提出了分段式控制加壓方法，線性充型方法和技術，澆注系統(tǒng)的功能分析和設計方法等，實現(xiàn)了合金液充型過程的精確控制。 已申請專利 8 項，在航空、航天、魚雷等關鍵型號項目上得到廣泛應用，如針對飛機進氣道唇口、導彈艙體等精密鑄件的國際技術封鎖，采用自主開發(fā)工藝技術和裝備攻克可鑄造技術難題，成功地用于 “撒手锏 ”武器的研制和生產(chǎn)中，受到有關領導的高度重視，在國防科工委某項成果鑒定中總體評價為 “項目總體達到國際先進水平，關鍵核心技術國際領先 ”，獲2021 年國防科學技術工業(yè)委員會國防科學技術獎二等獎，獲 2021 年國防科技工業(yè)工藝創(chuàng)新先進集體。 四、 市場調(diào)查與競爭能力分析 本項目的主要用途，目前主要使用領域的需求量，未來市場情況 高性能鎂合金結(jié)構件的應用特點及其前景 本項目開發(fā)的系列中溫范圍應用高性能耐熱鎂合金具有較高的強度（與鑄造鋁合金相當）和在 150~250℃ 下 優(yōu)良的的熱穩(wěn)定性，可以取代現(xiàn)有鋁合金如 ZL105 合金作為航空汽車電子行業(yè)中重要結(jié)構件如電子部件機箱和平臺框架的首選材料，具有結(jié)構重量輕、電磁屏蔽性能好、滯振性能優(yōu)良等明顯優(yōu)點。 同時，本項目開發(fā)的高溫范圍應用的高性能耐熱鎂合金可以取代現(xiàn)有鋁合金材料作為飛機發(fā)動機、汽車發(fā)動機的齒輪箱構件的首選材料，也可以作為航天導彈艙體和艙段材料，實現(xiàn)高性能耐熱鎂合金在上述領域的突破。 事 實上，在鋁合金和鎂合金材料的競爭中，生產(chǎn) 2mm 左右的薄璧鑄件的能力將是展現(xiàn)兩種材料競爭力的一個重要指標和參數(shù)。由于目前鋁合金已經(jīng)能夠鑄造出如此薄壁的鑄件，所以今后重點應該放在鎂合金重大科技創(chuàng)新項目專項資金項目可行性研究報告 24 鑄造技術上。精密鑄造會為實現(xiàn)此目標提供一種解決方案，這正是本工作努力的重點所在。該項目的工作成果，會將鎂合金的優(yōu)勢應用前景完全展現(xiàn)出來。 變形鎂合金型材制造技術的突破，會使我省鎂合金制造水平在全國處于領先地位，與世界接軌。其潛在的市場主要為汽車、電子、航空航天、軍工裝備等國家重點領域，其潛在的市場效益將會達到數(shù)億乃至數(shù)十億人民幣， 因此該項目的研制成功對于有效提升我省鎂合金材料的變形深加工制造水平意義重大。 本項目的實施，將會極大地激活鎂合金在軍工、汽車、電子、船舶等重要工業(yè)部門潛在的巨大應用市場，其效益和作用會在短短的 1~2 年內(nèi)很快展現(xiàn)出來。同時，通過