镁课堂:(二十五)奔向太空的镁钍合金

2015年04月09日 10:35 4238次浏览 来源:   分类: 镁应用   作者:

导读: 1928年瑞典化学家贝采利乌斯(J.J.Berzelius)挪威黑色矿石中分离出钍,并按北欧神话中的战神Thor命名。钍长期暴露于大气中会失去光泽,钍粉在空气中可能自燃,纯钍有良好塑性加工性能,可加工成各种半成品,天然钍只有一种同位素232Th具有放射性。

  1928年瑞典化学家贝采利乌斯(J.J.Berzelius)挪威黑色矿石中分离出钍,并按北欧神话中的战神Thor命名。钍长期暴露于大气中会失去光泽,钍粉在空气中可能自燃,纯钍有良好塑性加工性能,可加工成各种半成品,天然钍只有一种同位素232Th具有放射性。
  根据二元Mg-Th相图,在589℃,42%Th时发生共晶反应,形成简单的二元共晶组织:L→α-Mg+Mg4Th。在共晶反应温度时,钍在镁中的固溶度为max4.5%,并随着温度下降而减少,因而Mg-Th合金是可热处理强化的。由于合金凝固时偏析较为严重,所以含Th量2%的铸造组织中即存在离异共晶体。Mg-Th合金的组织为α-Mg固溶体和分布于晶界的块状Mg4Th共晶化合物组成。
  镁-钍合金是近40多年才发展起来的合金系,主要用于制造导弹和航天器零件,通常都无法回收,可以把它称为奔向太空的合金。在镁合金中,钍的作用和RE元素的相似。Th可以提高镁合金在高达370℃的高温下的抗蠕变强度,改善合金的铸造性能和含锆合金的可焊接性能。镁-钍合金的产钍含量通常为2%~3%,二元镁-钍合金没有实用价值,一般还含有Mg、Zr、Zn,鉴于环保方面的原因,宜尽量少用,可以采用性能相近的其他镁合金,或甚致铝合金。
  以钍为主要合金元素的镁合金的耐热性能比Mg-RE合金的还强,目前在工业上获得实际应用的为Mg-Th-Mn系、Mg-Th-Zr系、Mg-Zn-Th-Zr系变形合金(见下表)。美国和俄罗斯在研发Mg-Th合金领域与推广其应用方面居世界领先水平,中国有这些方面的水平与它们还有相当大的差距。
  镁-钍合金的强化相为Mg4Th,它有很高的热稳性,在380℃以下不易软化,因而合金的耐热性得到显着提高。含3%Th的镁合金具有最佳的综合力学性能,强度和伸长率俱高,为此,合金的钍含量为1.5%~4.0%。
  将Mn加入Mg-Th合金,不形成三元的含Mn的化合物,不过只有当Mn含量较大(Th/Mn)≤5/1)才有含Mn相出现,合金的组织为α-Mg+Mg4Th+Mn。在常用Mg-Th系合金中只有当锰含量>0.5%后才能出现含锰相。
  少量Zr(0.5%~1.0%)可显着细化Mg-Th合金的晶粒,提高合金的高、低温力学性能,若再添加Zn,可进一步提高合金的晶粒,提高合金的高、低温力学性能,若再添加Zn,可进一步提高合金的高温力学性能。Mg-Th合金有时效强化能力,时效析出序列:
  α-Mg→β''→β'(Mg2Th)→β(Mg23Th6)
  β''相可直接转变为平衡β相,也可以先转变为中间过渡相β',再转变为平衡β相。
  通常,β''相对应于合金时效强化峰值。Mg-Th合金中晶内细小弥散析出相和晶界钍化物的存在是这类合金这所以有高的抗蠕变强度。Mg-Th-Zr合金的显微组织与Mg-RE-Zr合金的相倾,向前者加入锌可进一步提高其抗蠕变强度,可在晶界形成一种含锌的针状相。研究表明,Mg-Th-Zn-Zr合金的Th/Zn之比约为1.4时具有最高的抗蠕变强度,锌对镁-钍合金时效过程的影响及相理尚未完全知晓。

责任编辑:淮金

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