（接上期）

內(nèi)容提要

本文介紹了中國鎂資源和鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況、鎂合金的主要特點(diǎn)及其規(guī)?；瘧?yīng)用的曲折歷史；討論了鎂合金研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化過程中的重要科學(xué)技術(shù)問題和研發(fā)應(yīng)用的實(shí)例。作者指出，鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料的潛力尚未充分研發(fā)出來。在充分認(rèn)識材料特性和環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，鎂合金在宇航、交通、信息、裝備制造業(yè)、日常生活和生物醫(yī)用中都有良好的應(yīng)用前景，在一些情況下，其作用是不可替代的。中國有條件由鎂資源大國發(fā)展成為鎂產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)國，為此需要調(diào)整鎂產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大鎂合金研發(fā)與應(yīng)用研究。當(dāng)前，大型、薄壁高強(qiáng)度鎂合金鑄件、鎂合金變形材的研發(fā)、防腐蝕技術(shù)的改進(jìn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的變更和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累是鎂合金實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的短板，需要重點(diǎn)配置研發(fā)力量。

一、引言

二、中國鎂資源及鎂產(chǎn)業(yè)的概況

三、鎂合金的主要特點(diǎn)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的曲折歷史

3.1 鎂及其合金的主要特點(diǎn)

3.2 鎂的應(yīng)用經(jīng)歷了相當(dāng)曲折的歷史過程

3.3 進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的必要性和可能性

下面通過一些實(shí)例說明進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的必要性和可能性。

1.在計(jì)算機(jī)（computer）、通訊（communication）和消費(fèi)性電子產(chǎn)品（consumer Electronics）3c產(chǎn)品上的應(yīng)用。

鎂合金具有良好的剛性、尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、電磁波屏蔽性和較高振動吸收性，因而其用于3C產(chǎn)品外殼散熱快、可減少噪音傳遞，保護(hù)內(nèi)部電路不受外界電磁的干擾。例如華碩M5A紀(jì)念版筆記本上蓋、三星超薄手機(jī)D848鎂合金滑蓋，EOS-1D Mark Ⅲ佳能照相機(jī)機(jī)身、底盤和反光鏡箱等。

目前主要用壓鑄生產(chǎn)鎂合金產(chǎn)品，但成品率較低，后處理復(fù)雜，尤其是表面處理技術(shù)更為關(guān)鍵。因此，發(fā)展可冷沖壓成形的鎂合金板材并用其生產(chǎn)電子產(chǎn)品是未來發(fā)展趨勢。

2.在自行車、摩托車、日用便攜工具和燈具上的應(yīng)用。

摩托車和自行車通常用鋼和鋁合金材料，比較重，慣性和制動距離大，既浪費(fèi)能量又影響靈活性。使用鎂合金有利于減重、減振、降低油耗，能改善駕乘的舒適性及可靠性。目前可以用鎂合金替代的摩托車零部件主要有：發(fā)動機(jī)曲軸箱殼體、前后輪轂、大貨架、保險(xiǎn)杠、車架、手把管、減振體及前又管等。如果這些零部件全部轉(zhuǎn)換為鎂合金零部件后，可使摩托車減少重量20%，每100公里可節(jié)約汽油O.4公升。例如重慶鎂業(yè)科技有限公司2001年研發(fā)了LXl 50概念鎂合金摩托車（圖6），首特鋼公司研發(fā)的鎂合金折疊自行車僅重7公斤，獲得第61屆米蘭國際兩輪車展金獎(jiǎng)。日用便攜工具、日用品和燈具的應(yīng)用如圖7、圖8。

3.在汽車等陸上交通工具上的應(yīng)用。

1930年，Louis Chevrolet在一輛賽車上首次使用鎂合金活塞。1936年德國大眾汽車公司用壓鑄鎂合金生產(chǎn)甲殼蟲發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)零件。目前，用于汽車零件的鎂合金壓鑄件主要有：儀表盤、座椅框架、變速箱殼、轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、引擎蓋、進(jìn)氣歧管、車門框架、發(fā)動機(jī)箱體、大型車身部件、汽缸體和支撐柱等。圖9列出了在轎車上可能采用或已采用鎂合金的一些部位，其中鎂合金在汽車框架上的應(yīng)用實(shí)例如圖10所示，而對在汽車自動變速箱殼體、發(fā)動機(jī)缸體上應(yīng)用的鎂合金零部件（圖11）則提出了更高的要求，因?yàn)樗鼈兌急仨氃谝欢囟认率褂?。其它陸上交通工具非承力件也用到鎂合金，例如圖12中所示部分零部件。當(dāng)前，鎂合金在汽車等交通工具上更大規(guī)模的應(yīng)用仍需要克服一些問題，例如成本要低、耐腐蝕性能要更好、成形性能需要優(yōu)化；同時(shí)需要對其疲勞壽命等進(jìn)行綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)。

國內(nèi)較早就已經(jīng)進(jìn)行了多種鎂合金汽車零部件研發(fā)。例如：重慶市鎂合金材料工程技術(shù)研究中心與企業(yè)合作，在長安微型車上應(yīng)用了8.03公斤鎂合金壓鑄件。東風(fēng)汽車有限公司在“七五”期間即開始從事鎂合金新材料及其工藝的研究和研發(fā)，目前已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的零件有：八種腳踏板、兩種變速箱上蓋、真空助力器中間隔板和制動閥體等。

4.在飛機(jī)發(fā)動機(jī)，框架、落地輪、駕駛艙和熒光屏上應(yīng)用。

英國“V”型轟炸機(jī)每架用變形鎂合金達(dá)1噸，s55直升機(jī)采用260磅變形鎂合金蒙皮。美國B36型轟炸機(jī)用鎂19000磅，B52型轟炸機(jī)用鎂1400磅。圖13所示是飛機(jī)發(fā)動機(jī)機(jī)匣（螺栓都配有鑲嵌套，防止長期使用過程中發(fā)生電偶腐蝕失效）。

5.在火箭和空間探測器上的應(yīng)用。

空天材料在追求高比強(qiáng)度的同時(shí)，還要求有良好的韌性、動態(tài)力學(xué)性能、可焊性以及耐蝕性。鎂合金材料的特性在一定程度上能滿足空間應(yīng)用需求。例如“前衛(wèi)”（Vanguard）號衛(wèi)星發(fā)射火箭、“云雀”（Skylark）研究火箭、“紅石”（Redstone）號火箭的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)以及“宇宙神”（AtIas）洲際運(yùn)載火箭的控制系統(tǒng)和導(dǎo)航平臺等都采用了鎂合金部件。隨著運(yùn)載火箭尺寸的增大，凸顯結(jié)構(gòu)減重的效益，重型運(yùn)載火箭將采用高強(qiáng)鎂合金蒙皮結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部諸多結(jié)構(gòu)也需要采用鎂合金部件，以提高運(yùn)載火箭的有效載荷。

衛(wèi)星、空間站等空間飛行器向長壽命、大型化發(fā)展。使用高強(qiáng)鎂合金取代復(fù)合材料可以避免真空放氣，取代鋁合金可提高結(jié)構(gòu)效率，屏蔽電磁干擾，提高可靠性，因此空間站上的機(jī)器人等都可用鎂合金制造。例如，“發(fā)現(xiàn)號”（discoverer）衛(wèi)星總重量為1500磅，其中1/3為鎂合金；“Echo”衛(wèi)星和通訊衛(wèi)星“Telstar”中一些關(guān)鍵部件均用鎂減輕重量。

6.在火炮、魚雷、潛艇等武器上的應(yīng)用。

美國30mm口徑M230A1式鏈?zhǔn)胶娇张诓捎面V合金后，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可靠性好，具有較好的阻尼特性，減小機(jī)載設(shè)備的振動?；鸺w增程魚雷、微型魚雷、反魚雷魚雷和潛艇阻尼結(jié)構(gòu)件要求材料高阻尼、低密度、高比強(qiáng)、良好的沖擊韌性和耐海洋環(huán)境腐蝕，可采用鎂合金。再如美國“洛杉磯”級潛艇的噪聲已降到120dB，正在建造的“海狼”級新一代潛艇噪聲將達(dá)到110dB以下，要求采用阻尼性能良好的鎂合金，見圖14。

隨著戰(zhàn)略及戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行速度的提高及射程的增加，結(jié)構(gòu)減重變得更為迫切。因此可使用高強(qiáng)耐熱鎂合金代替中強(qiáng)鋁合金材料制造導(dǎo)彈艙段、彈頭支架、慣組支架、彈頭殼體等。例如“太陽神”（Titan）導(dǎo)彈用鎂2000磅，49%用于蒙皮：“獵鷹”（Falcon）導(dǎo)彈上結(jié)構(gòu)件90%用鎂；“梅斯”（Mace）導(dǎo)彈用變形鎂1500磅；“蛇鯊”（Snark）導(dǎo)彈用變形鎂1500磅；“奈基式”Ⅰ型（Nike-Hercules）地對空導(dǎo)彈用變形鎂合金40磅、鑄造鎂合金200磅。

7.在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

可降解鎂合金是當(dāng)前國際上醫(yī)用金屬材料的研究熱點(diǎn)，近年來研究發(fā)展迅速，臨床應(yīng)用前景誘人。

鎂在體液中可實(shí)現(xiàn)均勻降解，并被人體吸收，作為醫(yī)用植入材料可避免二次手術(shù)；而且鎂是人體內(nèi)的常量元素，具有良好的生物相容性和綜合力學(xué)性能及可加工性；密度和模量均與骨組織更加接近，見表2和表3。

鎂合金作為醫(yī)用植入器件嘗試的歷史悠久，20世紀(jì)初期已被證明是生物安全和可完全降解的，但受當(dāng)時(shí)冶金技術(shù)水平限制，材料降解太快，無法進(jìn)行推廣應(yīng)用。近年來，隨著鎂合金冶金技術(shù)和表面處理技術(shù)的發(fā)展，作為可降解的醫(yī)用植入材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)均取得了重要進(jìn)展。

四、鎂合金研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化過程中的重要科學(xué)技術(shù)問題

雖然鎂合金的廣泛應(yīng)用已初見端倪，但鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用卻遠(yuǎn)沒有像鋼鐵和鋁合金那樣成熟，有許多特性有待深入的進(jìn)一步認(rèn)識和了解。例如鎂的精煉和冶金質(zhì)量控制、新型合金的設(shè)計(jì)、鑄造與塑性成形工藝和變形鎂合金的研發(fā)、耐熱鎂合金和高溫緊固件的蠕變和弛豫性能、腐蝕防護(hù)與環(huán)境斷裂控制、現(xiàn)場長期服役性能系統(tǒng)數(shù)據(jù)的積累以及針對全壽命周期的環(huán)保法規(guī)與回收等都有待研究。只有徹底了解其特性，才能突破產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的限制。

我們知道，純鎂的力學(xué)性能不足以滿足結(jié)構(gòu)材料的要求。因此，必須采用合金化、壓力加工等各種物理冶金方法制備成鎂合金才能適應(yīng)裝備制造和應(yīng)用方面的需求。

一般來說，首先需要采用合金化的辦法來獲得良好的綜合力學(xué)性能。目前，國際上傾向于采用美國材料試驗(yàn)協(xié)會使用的方法來標(biāo)示鎂合金的化學(xué)成分。由兩個(gè)英文字母和兩位數(shù)字組成：前面兩個(gè)英文字母表示合金中的兩個(gè)重要合金元素，接下來后面兩位數(shù)字表示主要合金元素的名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。以AZ91D合金為例，它是含有9%鋁和1%鋅的合金。最后的字母D是系列合金序號。

常用元素符號如表4所示：A-鋁，E-稀土，H-釷，K-鋯，M-錳，Q-銀，S-硅，Z-鋅。表4，鎂合金中常用元素符號表。

鎂合金分為鑄造和變形兩大不同的系列：

1.鑄造鎂合金，主要有AZ，AM、AS和AE系列：

AZ系列Mg-AI-Zn：AZ91、AZ81具有良好的鑄造性能，具有高的屈服強(qiáng)度，是目前應(yīng)用最廣泛的壓鑄鎂合金。

AM系列Mg-A1-Mn：AM60、AM50、AM20用于要求高延伸率和韌性，抗彎曲要求較高的工件，如車輪、車門、摩托車輪轂等。

AS系列Mg-AI-Si：AS21、AS41該系列合金含鋁量更低，但由于含si，使合金同時(shí)具有良好的強(qiáng)度和韌性，并明顯改善合金的高溫抗蠕變性能。

AE系列Mg-AI-RE：稀土元素RE比si更為有效地提高M(jìn)g-Al合金的蠕變強(qiáng)度，壓鑄AE41和AE42合金的蠕變強(qiáng)度高于Mg-AI-Si合金。

2.變形鎂合金：變形產(chǎn)品有更高的強(qiáng)度和塑性綜合力學(xué)性能，具有組織結(jié)構(gòu)的熱加工調(diào)控能力，目前主要有AZ和ZK系列：

AZ系列Mg-Al-z n：Az31、AZ61、AZ80等具有良好的鑄造性能，其中AZ80具有高的強(qiáng)度，AZ31具有優(yōu)良的變形加工性能。

ZK系列Mg-Zn-Zr：ZK60用于要求高強(qiáng)和良好韌性，抗彎曲要求較高的工件，如飛機(jī)桁條等。

鎂合金鑄造遇到的技術(shù)難題是：冶煉過程中，容易形成氧化夾雜，一般用熔劑保護(hù)，但夾雜不能上浮，需要進(jìn)一步發(fā)展熔體凈化技術(shù)；鎂合金壓鑄件容易出現(xiàn)氣孔又不能熱處理強(qiáng)化，需要深入研究鎂合金鑄造凝固組織的形成理論及控制技術(shù)，進(jìn)一步指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計(jì)及研發(fā)，提高承力鑄件的可靠性和壽命。此外通常鎂合金澆冒口比例大，鑄造收得率低，需要發(fā)展新型近終成型技術(shù)和復(fù)雜零件的鑄造成型技術(shù)。

鎂合金變形遇到的技術(shù)難題是：變形加工過程組織的控制存在困難，如圖15。因?yàn)殒V合金晶格排列屬六方結(jié)構(gòu)，滑移系少、最易發(fā)生基面滑移和拉伸孿生，合金的變形加工性能差，生產(chǎn)成本高，價(jià)格目前難以被市場接受。變形加工時(shí)再結(jié)晶開始溫度低、晶粒容易長大粗化；容易形成較強(qiáng)的基面織構(gòu)，造成性能各向異性；變形加工后的組織不均勻，不穩(wěn)定，塑性較差；因此二次成型困難，加工效率低、成品率低，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，價(jià)格更加難以被市場接受。

理論上，鎂合金可以采用各種焊接工藝成型，包括電阻點(diǎn)焊、鎢極氬弧焊、電子束焊接、激光焊接、激光電弧復(fù)合焊接、攪拌摩擦焊等，見圖16，但是目前在工業(yè)上得到應(yīng)用的焊接工藝只有鎢極氬弧焊工藝。鎂合金焊接時(shí)遇到的難題是：鎂沸點(diǎn)低（1100℃），容易爆炸形成飛濺；熔點(diǎn)低，熱導(dǎo)率高，焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生過熱、晶粒粗化和偏析等現(xiàn)象，降低焊接接頭性能；鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，焊接時(shí)需用惰性氣體或焊劑保護(hù)；線膨脹系數(shù)較大，在焊接過程中會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，容易產(chǎn)生熱裂紋和加大變形傾向；高溫中能大量地溶解氫，隨溫度下降，其溶解度急劇減少，析出大量氫氣容易形成氣孔；鎂的比熱容和熔化潛熱小，因此焊接時(shí)要求的輸入熱量少而焊接速度必須較高。

鎂電極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位低，在水溶液中發(fā)生陽極反應(yīng)：Mg→Mg+2+e，和陰極反應(yīng)：2H₂0+2e→20H-+H₂，容易腐蝕。從電位-pH圖來看，當(dāng)溶液的pH值低于10.5時(shí)，氫氧化鎂不能穩(wěn)定存在，當(dāng)溶液的pH值高于10.5后，氫氧化鎂才是穩(wěn)定的。因此鎂合金只有采取有效的防護(hù)措施才能滿足不太苛刻環(huán)境介質(zhì)中服役的需要。鎂的腐蝕主要受到表面膜形成的影響，膜的性質(zhì)決定腐蝕控制的效果。根據(jù)PB（Pilling Bedworth）原理，合金元素氧化物的體積與該合金元素的體積之比（V’/V）應(yīng)大于1才能形成致密的保護(hù)氧化膜層；鎂合金表面形成的氧化膜（MgO）的PB比為0.84，小于1，不能形成有效的穩(wěn)定保護(hù)膜。

鎂合金容易發(fā)生均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、絲狀腐蝕和電偶腐蝕，見圖17。如果水溶液中還含有腐蝕性很強(qiáng)的離子，如氯離子等，鎂上的表面膜對這些離子毫無抵抗能力。因此，實(shí)際上鎂合金的腐蝕是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的最大障礙。提高鎂合金耐蝕性存在多種途徑。合金的純凈化、合金化和組織結(jié)構(gòu)調(diào)整能夠一定程度上改善耐蝕性，但目前最有效的措施還是表面防護(hù)處理。其中常用的技術(shù)包括化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，微弧氧化，金屬鍍層，真空鍍和有機(jī)涂層等。今后還需要進(jìn)一步發(fā)展性能穩(wěn)定、滿足環(huán)保要求，成本低廉，能夠大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的表面防護(hù)技術(shù)。

五、近幾年新型鎂合金研發(fā)進(jìn)展及應(yīng)用簡介

5.1 Mg-Li系高塑性超輕鎂合金研發(fā)

Li元素的加入能夠改變鎂的晶格常數(shù)、甚至晶體結(jié)構(gòu)，使Mg-Li合金具有良好的熱、冷加工性能（鍛造、擠壓、軋制等）和低溫超塑性，人們已研發(fā)出超輕的鎂合金，圖18是Mg-Li合金的比重隨Li含量的變化，隨Li含量增加，其比重顯著減小。

圖19給出了已經(jīng)在美國、俄羅斯等部分零件上得到工業(yè)應(yīng)用的Mg-Li合金與航空鋁合金密度比較?？梢钥闯觯琈g-Li合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

中國科學(xué)院金屬研究所設(shè)計(jì)了超輕Mg-Li的成分，研發(fā)了-熔煉、熔鹽保護(hù)技術(shù)，克服了氧化、消除了夾雜、研發(fā)的鑄造成形技術(shù)，保證了鑄件的致密性。在此基礎(chǔ)上研究了稀土RE對Mg-Li合金組織的影響。sEM試驗(yàn)結(jié)果表明，軋制后鎂鋰合金板材的顯微組織中形成較多的MgAlRE相，并且主要分布在β相中，α-Mg中只有少量AlLiRE。合金中α鎂的織構(gòu)被弱化，強(qiáng)度降低，并且基面極值向軋向RD和橫向TD的偏轉(zhuǎn)角度增大（圖20）。添加Al和RE后，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高一倍，同時(shí)伸長率基本保持不變。這是由于第二相強(qiáng)化有利于提高屈服強(qiáng)度，織構(gòu)弱化增加了伸長率（圖21-22）。金屬所研發(fā)的鎂鋰合金比重約為鋁合金的50-60%，強(qiáng)度相當(dāng)于鑄造AI-Si合金的水平。盡管國內(nèi)還沒有單位使用Mg-Li合金，但已向歐洲出口了300kg。

由于Li元素價(jià)格高昂導(dǎo)致Mg-Li合金產(chǎn)品的價(jià)格也十分昂貴。此外，Mg-Li合金的抗腐蝕性能太差，這兩方面使Mg-Li系合金目前還難以大規(guī)模應(yīng)用，只能在航天工業(yè)上獲得少量應(yīng)用。

5.2 利用多元合金化，提高塑性成形效率，研發(fā)高延展性鎂合金

根據(jù)金屬學(xué)的基本原理，基面滑移和拉伸孿生是密排六方金屬的主要變形方式。鎂合金變形后容易形成強(qiáng)烈的基面織構(gòu)，因此變形鎂合金的軋制、鍛造性能差，制備成本高。高溫下雖然能夠具有超塑性和較好的成形性能，但是由于加工溫度高，需要保護(hù)氣氛，使產(chǎn)品成本大為提高。目前，市場上變形鎂合金產(chǎn)品不到10%，急需發(fā)展變形鎂合金產(chǎn)品及其應(yīng)用技術(shù)。只有研發(fā)多種規(guī)格的板材、型材和管材才有可能顯著擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用。

實(shí)踐證明，通過普通軋制方式使AZ31合金獲得優(yōu)異的室溫塑性比較困難。利用等通道擠壓加工引入剪切變形，導(dǎo)致基面織構(gòu)傾轉(zhuǎn)可有效提高AZ31鎂合金的室溫塑性，達(dá)到45%。采用旋轉(zhuǎn)擠壓工藝，其室溫伸長率可以提高到30%。這兩種方法的效果較好，但無法生產(chǎn)寬幅板材，加工效率低。另外，異步軋制產(chǎn)生剪切帶，剪切帶內(nèi)的晶粒具有隨機(jī)化的取向，通常使晶粒c軸沿RD方向傾轉(zhuǎn)約5～20°，可生產(chǎn)寬幅板材，但弱化基面織構(gòu)效果一般。

研究結(jié)果表明，通過合金化弱化基面織構(gòu)是提高鎂合金塑性的有效方法。只需0.1wt.%稀土元素就可產(chǎn)生織構(gòu)弱化效果，而添加Y元素可弱化基面織構(gòu)，提高板材沖壓性能。

直到2009年，國際上采用稀土元素改善鎂的室溫塑性研究主要針對二元合金開展基礎(chǔ)研究，其主要目的是闡明稀土弱化織構(gòu)機(jī)制。但二元合金系對塑性改善有限，且合金強(qiáng)度不足，不適合工業(yè)應(yīng)用。為此金屬研究所開展了高延展性多元稀土鎂合金的研究，所研發(fā)的新型Mg-Zn-Gd軋制板材沿橫向的伸長率達(dá)到40%以上，顯著高于其它方式制備的AZ31及其它稀土鎂合金。新型軋制板材各向異性比AZ31低，應(yīng)變硬化指數(shù)比鋁高，因而室溫成形性能良好（Lankford值，在某一應(yīng)變量時(shí)，寬度/厚度方向應(yīng)變的比值）。板材在室溫下具有良好的室溫成形性能，與一些典型鋁合金接近，有望在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)鎂合金板材的室溫深沖、脹形成形，見圖23-24。高延展性Mg-Zn-Gd與AZ31板材室溫變形機(jī)制比較研究發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)基軸的偏轉(zhuǎn)角度對變形機(jī)制（尤其是孿生類型）起著決定性的作用，并對塑性起著重要影響。

由于熱軋后的Mg-Zn-Gd具有很高的塑性和成形性能，因而其也具有很好的冷軋性能，可以在單道次壓下30%變形量不開裂，也可以多道次冷軋，總壓下量最高可達(dá)到45%。因而可以利用冷軋+退火實(shí)現(xiàn)對軋制板材塑性和強(qiáng)度的調(diào)控，如圖25-26。

目前金屬研究所可生產(chǎn)出寬500mm，厚度為O.5-3mm新型高塑性鎂合金板材。正在積極推進(jìn)年產(chǎn)2000噸鎂合金軋制板材生產(chǎn)線的建設(shè)。

5，2 鎂合金強(qiáng)化機(jī)理研究的進(jìn)展及高強(qiáng)度鎂合金設(shè)計(jì)

RE元素（Gd，Y等）具有異常高的固溶強(qiáng)化效果。第一性原理計(jì)算表明，鎂合金中加入RE元素不僅增強(qiáng)Mg-RE之間的共價(jià)鍵，還使得其周圍的Mg-Mg共價(jià)鍵得到顯著增強(qiáng)，二者是RE元素具有反常高的固溶強(qiáng)化效果的根本原因。

研究結(jié)果表明，綜合利用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、晶粒細(xì)化和織構(gòu)調(diào)控設(shè)計(jì)出來的三元基Mg-1.48Gd-1.1 3Y-O.16Zr（at.%）合金，其強(qiáng)度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，見圖40-41。合金綜合力學(xué)性能優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道其它同類合金。

5.3 高強(qiáng)度變形鎂合金及其在航天工程上的應(yīng)用

根據(jù)上述強(qiáng)化機(jī)理及織構(gòu)調(diào)控的基本原理，為了滿足神舟六號的設(shè)計(jì)要求，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對材料物理、腐蝕、力學(xué)性能、材料加工性能和尺寸穩(wěn)定性等方面的綜合要求，金屬所設(shè)計(jì)了一種ZW61合金（金屬所內(nèi)部命名為G04合金標(biāo)準(zhǔn)），選擇適當(dāng)?shù)募庸すに嚕设T坯直接成功的鍛造成大尺寸構(gòu)件。其與其它鎂合金的物理性能的對比。

該鎂合金材料實(shí)現(xiàn)了材料的物理性能（比重、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)、尺寸穩(wěn)定性、電磁屏蔽功能）、力學(xué)性能（常規(guī)強(qiáng)度與韌性、冷一熱循環(huán)疲勞性能）、防護(hù)涂層附著力、規(guī)格尺寸和優(yōu)良的切削加工性能的綜合統(tǒng)一，在空間飛行器上獲得了大量應(yīng)用。

5.4 高強(qiáng)鑄造鎂合金大型薄壁鑄件及其在大型運(yùn)載火箭上的應(yīng)用

鎂合金鑄件凝固過程中容易產(chǎn)生熱裂、氣孔及顯微疏松等鑄造缺陷，生產(chǎn)大型、薄壁、和形狀復(fù)雜的構(gòu)件尤為困難。

金屬研究所新研發(fā)的高強(qiáng)高韌低成本的鑄造鎂合金性能高于商業(yè)Az91合金，可用于砂型、金屬型鑄造工藝生產(chǎn)各種機(jī)械零部件，也適用于熔模精密鑄造。重力鑄造條件下，與不同鑄造方法（包括流變鑄造，半固態(tài)觸變注射成型）制備的AZ91合金的力學(xué)性能比較。利用熔模鑄造以凈終成型工藝成功制造了航天飛行器大型xx底座部件，見圖31。圖32所示鑄造成功的大型（870mm×480 mm×470mm）、薄壁（鉚接弧面厚度3～4mm、加載平面厚度6mm）、形狀復(fù)雜航天構(gòu)件的成品。

六、鎂合金防腐蝕技術(shù)研發(fā)進(jìn)展的實(shí)例

鎂合金容易腐蝕，導(dǎo)致器件失效。耐蝕性不足是當(dāng)前限制鎂合金應(yīng)用重要因素之一，必須設(shè)法克服。下面介紹金屬所新近在轉(zhuǎn)化膜、化學(xué)鍍及自封孔微弧氧化方面取得的新進(jìn)展。

6.1 鎂合金表面轉(zhuǎn)化膜及其在汽車上的應(yīng)用

轉(zhuǎn)化膜的作用是阻擋侵蝕性介質(zhì)滲入的屏障，防止涂層起泡，提高結(jié)合力。為此，研發(fā)了磷酸鹽環(huán)保型轉(zhuǎn)化膜，并在中、美、加國際合作中參加了在俄亥俄州立大學(xué)進(jìn)行的耐蝕性同行盲評。世界范圍有11個(gè)單位提供樣品（包括國際著名公司：Henkel、ChemetalI、AHC、Atotech、MacDermid等），金屬研究所的磷酸鹽處理工藝（K）獲得最好的成績，見圖33。該種轉(zhuǎn)化膜申請的專利，在北京和長春一汽實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，計(jì)劃達(dá)到年產(chǎn)68萬件/年；目前已在威志、夏利N3、解放V70、解放V80上使用，累計(jì)裝車并銷售60多萬輛，見圖34。

6.2 鎂合金化學(xué)鍍及其在航天工程上的應(yīng)用

某飛行器電控箱使用了鎂合金，要求在空間環(huán)境中使用時(shí)能夠保證器件的電磁特性，并要求在大氣中儲存后能保持其防蝕功能，因此采用化學(xué)鍍鎳作為最后一道工序。然而在使用過程中發(fā)現(xiàn)鎂合金化學(xué)鍍層的結(jié)合力不足，鍍層不能通過冷熱循環(huán)，由于鎂合金腐蝕引起電阻升高超限，需要研發(fā)一種能夠耐受-40℃-80℃冷熱循環(huán)仍能保持功能不變的鍍層。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鎂合金化學(xué)鍍預(yù)處理時(shí)所生成的表面氟化物膜是決定鍍層性能的關(guān)鍵，通過控制氟化膜的生長方式及覆蓋度，可以提高鍍層的結(jié)合力，通過了液氮循環(huán)激冷實(shí)驗(yàn)，見圖35。

迄今，天宮一號搭載的化學(xué)鍍鎳處理的鎂合金件運(yùn)行良好，驗(yàn)證了鎂合金化學(xué)鍍技術(shù)的可靠性；目前鎂合金耐溫變、導(dǎo)電涂鍍層在航天器上已經(jīng)在6個(gè)型號1000余件上使用，涂鍍層性能無變化。十二五已確定在十個(gè)型號的航天器上使用。

6.3 鎂合金自封孔微弧氧化膜

微弧氧化可在鎂合金表面形成一種陶瓷膜，是最有效的防護(hù)措施之一。采用這種工藝在成膜過程中由于表面高電場強(qiáng)度作用，在膜層表面形成微小火花，在膜層的薄弱位置會發(fā)生電擊穿，放電區(qū)域周圍的膜層、基體以及電解質(zhì)溶液遷移進(jìn)入放電通道內(nèi)，形成等離子體團(tuán)。在等離子團(tuán)冷卻過程中，熔融態(tài)化合物在放電通道內(nèi)氣體的作用下，沉積在溫度相對較低的放電通道周圍的膜層的內(nèi)壁上，而在放電通道中心區(qū)域由于沒有化合物沉積而出現(xiàn)孔洞。普通微弧氧化膜由MgO組成并存在大量孔隙。MgO因水解可轉(zhuǎn)化為Mg（OH₂），使膜層退化為粉末而失去保護(hù)功能。因此，只有降低膜層中缺陷的數(shù)量和增加化合物的穩(wěn)定性才能提高膜層的耐腐蝕性能。具體的說，就需要通過調(diào)整溶液成分和處理工藝，來影響膜層表面微孔的形成過程和化合物沉積的過程，進(jìn)而降低膜層中缺陷的數(shù)量和增加膜層成分的穩(wěn)定性，提高膜層的耐腐蝕性能，見圖36。試驗(yàn)表明采用含有氟鋯酸鉀為主鹽、磷酸二氫胺、膜層生長促進(jìn)劑和穩(wěn)定劑的溶液達(dá)到了這一目的。

七、生物可降解鎂合金研究的進(jìn)展

2011年3月我國在北京組織了以“生物可降解金屬研究發(fā)展與臨床應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)”為主題的香山科學(xué)會議。金屬所楊柯研究員在會上的主題評述報(bào)告“生物可降解金屬——一類革命性的新型生物醫(yī)用金屬材料”介紹了該領(lǐng)域的研究動向。

金屬所的研究工作集中在骨內(nèi)固定器件、骨內(nèi)填充材料和心血管支架三個(gè)應(yīng)用方向，有待解決的科學(xué)問題包括鎂合金的降解行為，生物安全性，新型醫(yī)用鎂合金和控制降解速度的表面改性等。目前在動物實(shí)驗(yàn)方面已取得比較重要的結(jié)果，如圖37-38所示。

八、結(jié)束語——鎂合金作為輕質(zhì)工程材料的產(chǎn)業(yè)化前景良好

在充分認(rèn)識鎂合金材料學(xué)特性和環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，鎂合金在宇航、交通、信息、裝備制造業(yè)和醫(yī)用領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景，有些方面其作用是不可替代的。鎂，作為結(jié)構(gòu)材料的潛力尚未充分研發(fā)出來，宛如美麗的淑女正待嫁閨中?！霸诓牧项I(lǐng)域中還沒有任何材料像鎂那樣，潛力與現(xiàn)實(shí)有如此大的顛倒”。

中國是鎂資源大國，應(yīng)該利用這種條件，提升鎂資源的價(jià)值，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，努力擴(kuò)大鎂的應(yīng)用，引領(lǐng)鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為鎂產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)國。據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析計(jì)算，當(dāng)Mg：AI價(jià)格比為1.3：1時(shí)，鎂合金就可以與鋁在市場上競爭。目前已經(jīng)達(dá)到了1.3：1。我們可以預(yù)期：由于傳統(tǒng)材料資源的耗竭，隨著鎂合金生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步、如果政策得當(dāng)，中國、乃至全球大規(guī)模研發(fā)和應(yīng)用鎂合金的時(shí)機(jī)即將到來。

與傳統(tǒng)材料鋁、鋼和塑料的情況不同，鎂產(chǎn)業(yè)在中國還不成熟，產(chǎn)業(yè)鏈尚不完整。鎂合金除壓力鑄造技術(shù)比較成熟外，其它鑄造工藝技術(shù)、理論和工藝研究仍十分薄弱，熟練的技術(shù)工人十分缺乏。必須加強(qiáng)鑄造鎂合金冶金缺陷傾向和規(guī)模化制品質(zhì)量穩(wěn)定性控制的金屬學(xué)理論研究，建立良好的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)；發(fā)展高強(qiáng)高韌大型薄壁鑄件的制造技術(shù)理論，穩(wěn)步推動和擴(kuò)大鎂合金鑄件的應(yīng)用。

鎂合金塑性加工性能差，成品率低，生產(chǎn)效率也低，而且變形鎂合金很難進(jìn)一步二次成型，二次加工成本高，推廣應(yīng)用困難。變形鎂合金板材、型材和管材的合金開發(fā)和制造工藝研發(fā)是目前實(shí)現(xiàn)鎂合金規(guī)?；瘧?yīng)用的短板，需要重點(diǎn)投入資金和工程技術(shù)力量才能取得突破性的進(jìn)展。

腐蝕和蠕變性能不足仍是限制鎂合金使用的主要原因。因此一方面要研發(fā)穩(wěn)定、可靠的腐蝕防護(hù)技術(shù)和耐熱鎂合金，另一方面也需要改變工程中零部件設(shè)計(jì)思路，揚(yáng)長避短，合理的使用鎂合金；用戶分享技術(shù)進(jìn)步成果將加速鎂合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

目前數(shù)據(jù)庫不夠完善，設(shè)計(jì)人員對鎂合金的了解程度不足是另一個(gè)限制鎂合金擴(kuò)大應(yīng)用的原因。為了推進(jìn)我國鎂合金產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、合金設(shè)計(jì)、工藝研究以及服役性能考核等環(huán)節(jié)之間的相互溝通。

生物可降解鎂合金是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，體內(nèi)外降解行為研究，生物安全性研究、相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)等方面的進(jìn)展已為可降解鎂合金的臨床應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。中國在可降解鎂合金的研究及相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)方面已走在國際前列，還需大力研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)醫(yī)療器械產(chǎn)品，盡快搶占相關(guān)領(lǐng)域及市場的制高點(diǎn)。