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2023

12-23 00:00

2023

【日本】熊本大學開發的高熱傳導、高強、高延展性新鎂合金簡介

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傳統的鎂合金AZ91D (ASTM符號)的熱傳導率為60W/m.K。因此，如果在高溫環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，導致部件熱變形和部件強度不足的問題。

　　文獻來源于日本國立大學法人熊本大學公開資料
　　傳統的鎂合金AZ91D (ASTM符號)的熱傳導率為60W/m.K。
　　因此，如果在高溫環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，導致部件熱變形和部件強度不足的問題。
　　熊本大學成功開發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化，高導熱率140W/m.K由擠出加工產生高強度·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，熊本大學先進鎂國際研究中心宣布開發出一種不燃性高強度鎂合金（在2003年研究中心開發出革命性的KUMADAI鎂合金，具有前所未有的強度和耐熱性。），其著火溫度為1105℃，超過了鎂的沸點，機械強度為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械性能，還開發了添加少量稀土元素的合金。
　　延伸閱讀2：
　　熊本大學國際先進鎂研究中心（主任：Yoshito Kawamura）成功地加強了熊臺鎂合金的韌性。這導致斷裂韌性可與傳統飛機高強度鋁合金相媲美※1我們實現了機械強度“輕、強、韌的鎂合金”，重量最多可減輕15%，在飛機安裝方面取得了長足的進步。
　　金屬鎂是實用金屬中最輕的金屬，作為一種環保的下一代輕質結構材料，有助于減輕飛機和汽車等運輸設備的重量，因此備受關注。特別是自2015年美國聯邦航空管理局（FAA）解除商用飛機使用鎂的禁令以來，鎂合金的研究與開發在飛機領域得到了積極推動。熊本大學國際先進鎂研究中心開發了兼具高強度、高耐熱性和阻燃性的熊臺耐熱鎂合金。※2我們一直在從基礎和應用的角度進行研究和開發。特別是，熊臺耐熱鎂合金作為飛機結構材料，因其通過了FAA的鎂燃燒測試，并已用于新能源和工業技術開發組織（NEDO）的“下一代結構部件創造和加工技術開發”項目而受到關注。熊本大學一直與三菱重工合作進行研究和開發。
　　除了重量輕外，飛機結構材料還必須具有機械強度和抗開裂性。換句話說，不僅要有“強度”，還要有“韌性”，即使受傷也不會輕易斷裂。作為總體趨勢，屈服強度※3有人說，很難同時實現強度和斷裂韌性，因為材料越高，斷裂韌性越低，這表明韌性。與飛機高強度鋁合金相比，現有的高強度鎂合金具有特定的屈服強度，表達了輕質和強度。※3斷裂韌性值低5%左右，斷裂韌性值低1%左右，作為飛機結構材料存在問題。此外，使用熊本大學專有的超淬火方法生產的熊臺淬火耐熱鎂合金，其比屈服強度比現有的飛機用高強度鋁合金高出5%以上，并有可能顯著減輕航空結構件的重量。其斷裂韌性與常規鎂合金一樣低，甚至沒有達到飛機用高強度鋁合金斷裂韌性的下限（18 MPa√m）。
　　在這項研究中，我們通過優化KUMDAI淬火冷卻耐熱鎂合金的制造工藝條件和合金成分，展示了納米結構控制（幾百納米）我們成功地將韌性提高了約1.5倍，實現了20.5 MPa√m的高斷裂韌性值和220 kNm/kg的高比屈服強度。開發出一種新型“輕、強、韌的飛機用鎂合金”，其斷裂韌性可與傳統的飛機用高強度鋁合金相媲美，機械強度可減輕約15%，大大推進了熊臺耐淬火鎂合金在飛機上的應用。
　　未來，我們計劃（1）進一步提高強度、強度和不燃性，以及（2）與波音公司等國內外飛機制造商合作，對特定飛機部件進行原型設計和評估。同時，我們計劃（3）與材料制造商一起開發低成本、大規模生產的材料技術，并推動開發的鎂合金在飛機上的實施。

　　[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“抗裂紋進展”，以及即使損壞也不易斷裂的“韌性”。由于實際材料存在裂紋和裂紋狀缺陷，例如表面劃痕，因此在設計運輸設備部件等時，采用即使存在不可避免的缺陷也能確保安全的設計方法，假設存在一定數量的缺陷。在這種情況下，材料的斷裂韌性值是重要的數據。在比較同類型的金屬材料時，一般趨勢是屈服強度越高，斷裂韌性越低，因此在開發具有優越強度的材料時，需要均衡地提高屈服強度和斷裂韌性。通常，使用CT試件（緊湊型張力，CT試件）進行測量是按照國際標準（ASTM標準）進行的。對于鎂合金，斷裂韌性值（K集成電路鎂合金的強度太低，所以只有少數被發表。
　　*2 熊臺鎂合金：該合金由熊本大學開發，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，它兼具高強度、不燃性和高耐腐蝕性。每種產品都使用對鑄造材料進行塑性加工的“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。本研究開發的“KUMDAI耐熱鎂合金”是淬火法生產的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晶體結構，并且可以獲得普通鑄造方法無法獲得的高強度和高耐腐蝕性等優良的材料性能。
　　*3 屈服強度和比屈服強度：當材料被加載時，它會發生彈性變形（像彈簧一樣，在卸載時會恢復到原來的形狀），但當超過一定負載時，它會發生塑性變形（即使在卸載后仍然存在永久變形）。屈服強度是通過在從彈性變形過渡到塑性變形時將材料上的載荷除以橫截面積（單位面積載荷）而獲得的。比屈服強度是屈服強度除以材料的比重（單位重量屈服強度）得到的值，它代表材料的輕質和機械強度（比屈服強度越高，越輕越強）。