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23

2023

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【日本】熊本大学开发的高热传导、高强、高延展性新镁合金简介

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传统的镁合金AZ91D (ASTM符号)的热传导率为60W/m.K。 因此,如果在高温环境下或用于在使用过程中老化的部件,则存在着不能良好地散热的问题,导致部件热变形和部件强度不足的问题。

  文献来源于日本国立大学法人熊本大学公开资料
  传统的镁合金AZ91D (ASTM符号)的热传导率为60W/m.K。
  因此,如果在高温环境下或用于在使用过程中老化的部件,则存在着不能良好地散热的问题,导致部件热变形和部件强度不足的问题。
  熊本大学成功开发出与以往不同的不含LPSO层的新合金。通过合金组成和热处理最优化,高导热率140W/m.K由挤出加工产生高强度·高延性化0.2%耐力 350MPa 以上,延性9% 以上。
  延伸阅读1:
  2012年4月,熊本大学先进镁国际研究中心宣布开发出一种不燃性高强度镁合金(在2003年研究中心开发出革命性的KUMADAI镁合金,具有前所未有的强度和耐热性。),其着火温度为1105℃,超过了镁的沸点,机械强度为460 MPa,被称为KUMADAI不燃镁合金(Mg-10%Al-5%Ca合金)”。AZ31合金含有3%的铝和1%的锌,比较容易变形,因此产品主要采用轧制或挤压的方式制造。另一方面,含9%铝和1%锌的AZ91合金用于铸造、压铸和触变成型等熔融加工方法。另外,为了提高耐热性和机械性能,还开发了添加少量稀土元素的合金。
  延伸阅读2:
  熊本大学国际先进镁研究中心(主任:Yoshito Kawamura)成功地加强了熊台镁合金的韧性。这导致断裂韧性可与传统飞机高强度铝合金相媲美※1我们实现了机械强度“轻、强、韧的镁合金”,重量最多可减轻15%,在飞机安装方面取得了长足的进步。
  金属镁是实用金属中最轻的金属,作为一种环保的下一代轻质结构材料,有助于减轻飞机和汽车等运输设备的重量,因此备受关注。特别是自2015年美国联邦航空管理局(FAA)解除商用飞机使用镁的禁令以来,镁合金的研究与开发在飞机领域得到了积极推动。熊本大学国际先进镁研究中心开发了兼具高强度、高耐热性和阻燃性的熊台耐热镁合金。※2我们一直在从基础和应用的角度进行研究和开发。特别是,熊台耐热镁合金作为飞机结构材料,因其通过了FAA的镁燃烧测试,并已用于新能源和工业技术开发组织(NEDO)的“下一代结构部件创造和加工技术开发”项目而受到关注。熊本大学一直与三菱重工合作进行研究和开发。
  除了重量轻外,飞机结构材料还必须具有机械强度和抗开裂性。换句话说,不仅要有“强度”,还要有“韧性”,即使受伤也不会轻易断裂。作为总体趋势,屈服强度※3有人说,很难同时实现强度和断裂韧性,因为材料越高,断裂韧性越低,这表明韧性。与飞机高强度铝合金相比,现有的高强度镁合金具有特定的屈服强度,表达了轻质和强度。※3断裂韧性值低5%左右,断裂韧性值低1%左右,作为飞机结构材料存在问题。此外,使用熊本大学专有的超淬火方法生产的熊台淬火耐热镁合金,其比屈服强度比现有的飞机用高强度铝合金高出5%以上,并有可能显着减轻航空结构件的重量。其断裂韧性与常规镁合金一样低,甚至没有达到飞机用高强度铝合金断裂韧性的下限(18 MPa√m)。
  在这项研究中,我们通过优化KUMDAI淬火冷却耐热镁合金的制造工艺条件和合金成分,展示了纳米结构控制(几百纳米)我们成功地将韧性提高了约1.5倍,实现了20.5 MPa√m的高断裂韧性值和220 kNm/kg的高比屈服强度。开发出一种新型“轻、强、韧的飞机用镁合金”,其断裂韧性可与传统的飞机用高强度铝合金相媲美,机械强度可减轻约15%,大大推进了熊台耐淬火镁合金在飞机上的应用。
  未来,我们计划(1)进一步提高强度、强度和不燃性,以及(2)与波音公司等国内外飞机制造商合作,对特定飞机部件进行原型设计和评估。同时,我们计划(3)与材料制造商一起开发低成本、大规模生产的材料技术,并推动开发的镁合金在飞机上的实施。


  [词语解释]
  *1 断裂韧性: 它是指具有裂纹和裂纹状缺陷的材料的“抗裂纹进展”,以及即使损坏也不易断裂的“韧性”。由于实际材料存在裂纹和裂纹状缺陷,例如表面划痕,因此在设计运输设备部件等时,采用即使存在不可避免的缺陷也能确保安全的设计方法,假设存在一定数量的缺陷。在这种情况下,材料的断裂韧性值是重要的数据。在比较同类型的金属材料时,一般趋势是屈服强度越高,断裂韧性越低,因此在开发具有优越强度的材料时,需要均衡地提高屈服强度和断裂韧性。通常,使用CT试件(紧凑型张力,CT试件)进行测量是按照国际标准(ASTM标准)进行的。 对于镁合金,断裂韧性值(K集成电路镁合金的强度太低,所以只有少数被发表。
  *2 熊台镁合金:该合金由熊本大学开发,主要有两种类型。第一种是Mg-Zn-Y型KUMADAI耐热镁合金(镁与锌和钇),兼具高强度、高耐热性和阻燃性。另一种是基于Mg-Al-Ca(添加铝和钙的镁)的KUMADAI不燃镁合金,它兼具高强度、不燃性和高耐腐蚀性。每种产品都使用对铸造材料进行塑性加工的“铸造方法”和“淬火方法”,其中熔融合金的熔融金属以每秒2,10°C的冷却速率快速凝固并凝固并成型成块。本研究开发的“KUMDAI耐热镁合金”是淬火法生产的KUMDAI耐热镁合金。通过使用淬火方法,可以获得几百纳米或更小的超细晶体结构,并且可以获得普通铸造方法无法获得的高强度和高耐腐蚀性等优良的材料性能。
  *3 屈服强度和比屈服强度:当材料被加载时,它会发生弹性变形(像弹簧一样,在卸载时会恢复到原来的形状),但当超过一定负载时,它会发生塑性变形(即使在卸载后仍然存在永久变形)。屈服强度是通过在从弹性变形过渡到塑性变形时将材料上的载荷除以横截面积(单位面积载荷)而获得的。比屈服强度是屈服强度除以材料的比重(单位重量屈服强度)得到的值,它代表材料的轻质和机械强度(比屈服强度越高,越轻越强)。