王小蘭，李秀蘭，洪小龍，王 斌，周立玉，王 宣

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000)

當(dāng)前實(shí)用金屬材料中最輕的是鎂合金，它有“21世紀(jì)綠色工程材料”的美稱。鎂合金具有比強(qiáng)度高、彈性模量大、散熱好、減震性好、承受沖擊載荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。鎂合金在某些特定環(huán)境下可以代替塑料、鋁合金和鋼制零件，是交通運(yùn)輸行業(yè)、航空航天、通訊電子等領(lǐng)域不可或缺的金屬材料之一[1-4]。但是，鎂合金室溫塑性差、耐腐蝕性能差，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用。因此，對(duì)于高強(qiáng)鎂合金的研究與制備就顯得尤為重要[5-7]。目前，高強(qiáng)度鎂合金的強(qiáng)化工藝有大塑性變形、合金強(qiáng)化、熱處理等[8]，高強(qiáng)鎂合金能夠有效地解決鎂合金存在的普遍問(wèn)題。本文詳細(xì)介紹了鎂合金的分類與性能，綜述了高強(qiáng)鎂合金的制備工藝與應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了高強(qiáng)鎂合金的應(yīng)用前景。

1 鎂合金

1.1 根據(jù)加工工藝分類

變形鎂合金由軋制、擠壓等塑性變形所制備，主要有Mg-Mn系、Mg-Zn-Zr系和Mg-Al-Zn-Mn系合金。其中Mg-Mn系合金耐腐蝕，焊接性好，但工作溫度不超過(guò)150 ℃；Mg-Zn-Zr系合金焊接性能較為優(yōu)異；Mg-Al-Zn-Mn系合金具有優(yōu)異的機(jī)械性能和可焊性。變形鎂合金晶粒尺寸較小，有良好的力學(xué)性能。鑄造鎂合金由砂模鑄造、金屬模鑄造、熔模鑄造制備，主要有Mg-Al系和Mg-RE系合金[9]，鑄造鎂合金具有鑄造結(jié)構(gòu)優(yōu)異、加工周期短、裝配成本低、適用于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。

1.2 根據(jù)是否加入RE分類

1.2.1 常規(guī)鎂合金

常規(guī)鎂合金可分為Mg-Al系和Mg-Zn合金。Mg-Al系合金使用最為廣泛，包括AZ系列、AM系列、AS系列和AE系列，其中AZ系合金(Mg-Al-Zn)屈服強(qiáng)度高；AM 系合金(Mg-Al-Mn)具有優(yōu)良的韌性和鑄造性能；AS系合金(Mg-Al-Si)在高溫下具有出色的蠕變性能；AE系合金(Mg-Al-RE)耐蝕性強(qiáng)。Mg-Zn系列合金是最具有發(fā)展前景的耐熱鎂合金，它具有強(qiáng)大的時(shí)效強(qiáng)化能力和出色的高溫機(jī)械性能，承載能力強(qiáng)，鑄造成本低。表1是Mg-Zn系典型鎂合金的力學(xué)性能[10]。

表1 Mg-Zn系典型鎂合金的力學(xué)性能[10]

1.2.2 稀土鎂合金

傳統(tǒng)鎂合金高溫強(qiáng)度和耐熱性能始終沒(méi)能達(dá)到理想要求，而且工作溫度不能超過(guò)125 ℃，在航空航天、汽車等動(dòng)力系統(tǒng)的高溫環(huán)境中很難適用。稀土元素具有很好的脫氧和脫水作用，降低了孔隙和氧化物的產(chǎn)生。稀土元素主要是在合金中形成性能優(yōu)異的稀土化合物和固溶相，這些化合物或固溶相在晶界處偏析導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，晶格發(fā)生畸變。適量的稀土元素可以改善合金的流動(dòng)性、高溫蠕變性、耐腐蝕性能和拉伸性能，并減少收縮和熱裂的趨勢(shì)，特別是對(duì)于鑄造鎂合金[11]。

(1)Mg-Y系

稀土Y在Mg中的最大固溶度為12.7%，時(shí)效強(qiáng)化強(qiáng)度更高。Mg-Y系中最具有代表性的就是WE43 (Mg-4.0%Y-3.3%RE (Nd) -0.5%Zr)和WE54 (Mg-5.1%Y-3.3%RE (Nd) -0.5%Zr) ，其適應(yīng)工作環(huán)境最高可達(dá)300 ℃，高溫環(huán)境下仍能保持優(yōu)異的強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)熱處理后的耐腐蝕性能相比其他高溫鎂合金的耐腐蝕性能更高[12]。此外，Mordike[13]的研究發(fā)現(xiàn)，摻有Sc和Mn的Mg-4Y-1Sc-1Mn合金比WE43(T6)合金具有更好的抗蠕變性。

(2)Mg-Gd系

Mg與Gd容易在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成Mg3Gd化合物，Mg3Gd具有高熱穩(wěn)定性，能夠提高鎂合金耐熱性，是鎂合金系中可以進(jìn)行充分熱處理和沉淀強(qiáng)化的典型Mg-Gd系鎂合金。Rokhlin和Kamado通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，該系列合金比常規(guī)的耐熱鎂合金WE54A具有更好的高溫穩(wěn)定性[14]。如圖1所示，稀土Gd在Mg中最大固溶度為23.5 %，其固溶度隨溫度的升高緩慢增加，這說(shuō)明Mg-Gd合金是在鎂合金中最理想的可以通過(guò)熱處理析出[15]。

圖1 Mg-Gd合金二元相圖[15]Fig.1 Binary phase diagram of Mg-Gd alloy[15]

(3)Mg-RE-Zn系

Zn元素具有使固溶硬化和時(shí)效強(qiáng)化的功能，還可以形成高粘度作用且堆垛有序的強(qiáng)化相，這種結(jié)構(gòu)限制了位錯(cuò)在基面表面的滑移趨勢(shì)，同樣也限制其在277～327 ℃的高溫下非基面的滑移，這有助于提高合金耐熱性。該系列鎂合金具有高強(qiáng)度，可塑性好以及在高溫下機(jī)械性能好的優(yōu)點(diǎn)。Zhu等人[16]首次報(bào)道了Mg-6Gd-1 Zn-0.6Zr合金通過(guò)250 ℃時(shí)效處理后在基體內(nèi)析出了γ＇和γ＂兩種強(qiáng)化相。圖2[17]列出一系列高強(qiáng)度鎂合金Mg-RE-Zn系列合金鑄造鎂合金的力學(xué)性能，其強(qiáng)化機(jī)制除了LPSO強(qiáng)化以外，還包括β＇、γ＇、γ＂及層錯(cuò)強(qiáng)化。

圖2 Mg-RE-Zn系列合金鑄造鎂合金的力學(xué)性能[17]Figure.2 Mg-RE-Zn series alloy casting magnesium alloy mechanical properties[17]

2 制備工藝

在傳統(tǒng)工藝制備方法中，可通過(guò)鑄造或壓力成型制備鎂合金。由鑄造工藝制備的鎂合金，易產(chǎn)生有害雜質(zhì)、成分不均勻、氣泡孔隙和裂縫等問(wèn)題，這主要受制于鑄模形狀、鑄造溫度和冷卻條件等因素。由壓力成型工藝制備鎂合金性能不穩(wěn)定，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力集中等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到鎂合金的機(jī)械性能，且對(duì)模具類型、壓力、溫度等因素要求較高。近幾年高強(qiáng)鎂合金最為常見(jiàn)的制備工藝方法有粉末冶金法、快速凝固法、機(jī)械合金化和擠壓成型技術(shù)。

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法(Powder Metallurgy，PM)是將原材料粉末按照一定比例混合均勻，在特定溫度壓強(qiáng)條件下燒結(jié)成形，得到具有優(yōu)異性能合金材料，此方法最早應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料的制備。粉末冶金法特點(diǎn)有[18]：①產(chǎn)品精度高、尺寸穩(wěn)定、成本低、不需要二次加工；②可大批量生產(chǎn)，易形成自動(dòng)化生產(chǎn)線；③可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料，可避免脫模困難等問(wèn)題。鎂具有密排六方的晶體結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸直接影響其性能好壞，因此，制備細(xì)晶粒鎂合金可以大大提高鎂合金的性能。楊偉東[19]通過(guò)球磨粉末冶金法制備細(xì)晶AZ91鎂合金，并系統(tǒng)地研究了球磨機(jī)參數(shù)對(duì)合金的影響，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間、轉(zhuǎn)速和球料比的增加，其合金粉末的粒徑急劇減小。陳春樸[20]通過(guò)粉末冶金法制備ZK60鎂合金，發(fā)現(xiàn)隨著Y含量的增加，ZK60鎂合金的高溫塑性也隨之提高。周亞軍等人[21]通過(guò)粉末冶金法制備了AZ91鎂合金，并探究燒結(jié)溫度對(duì)該合金微觀組織和綜合性能的影響，其最佳燒結(jié)溫度為550 ℃，真空熱壓燒結(jié)后AZ91鎂合金材料的致密度顯著提高，其組織主要由α-Mg相和β-Mg17Al12相組成，可大大提高其合金的性能。如今粉末冶金法已經(jīng)普遍應(yīng)用于機(jī)械制造、醫(yī)療設(shè)備、交通運(yùn)輸及高強(qiáng)度金屬材料的制備，是最有發(fā)展前景的金屬?gòu)?fù)合材料制備工藝之一[22]。

2.2 快速凝固法

快速凝固法(Rapid Solidification，RS)是材料科學(xué)領(lǐng)域具有突出地位的一種先進(jìn)金屬材料制備新技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)得到的材料具有超細(xì)晶粒度、低偏析度和良好穩(wěn)定性等，并且溶質(zhì)元素在基體中的固溶極限相對(duì)較大，成分相對(duì)均勻[23]。其制備過(guò)程[24]是通過(guò)極大的凝固速率(10～100 m/s)使液相迅速凝固成固相的一種非平衡凝固過(guò)程。其制備原理是將合金熔化并細(xì)化為分散的液滴，使得液體合金更易于散熱，提高熔體的凝固速度，從而達(dá)到細(xì)化凝固組織，減少或消除成分偏析的目的。陸皖皖[25]通過(guò)亞快速凝固法制備稀土鎂合金，并研究其組織的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)亞快速凝固得到兩種典型組織，一種組織是類似花瓣或松針狀的樹(shù)枝晶，另一種組織是向心生長(zhǎng)的柱狀晶。鄭水云[26]通過(guò)快速凝固法制備Mg-4.8Zn-0.6Y合金，并對(duì)其微觀組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其合金中Mg、Zn和Y的宏觀分布比較均勻，但其晶內(nèi)存在偏析，凝固速度的差異及鑄造組織的遺傳性是造成偏析形成的主要原因。徐春杰等人[27]采用快速凝固法制備鎂合金，將其與SiCP顆粒先一起球磨，再采用往復(fù)擠壓和普通正擠壓的工藝擠壓成型，最終得到高強(qiáng)度、高耐磨的鎂合金復(fù)合材料。梁世何[28]采用快速凝固法制備ZW60和ZW61合金，并對(duì)不同凝固條件下Mg-Zn-Y合金中微觀組織相進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)快速凝固條件下ZW60合金組織中的MgZn呈針狀，而在常規(guī)凝固和近平衡凝固條件下的MgZn分別呈層片狀和魚(yú)骨狀，且經(jīng)快速凝固形成的合金顆粒尺寸約為80～300 nm?？焖倌碳夹g(shù)的使用不僅可以改善傳統(tǒng)金屬材料的性能，還能開(kāi)發(fā)現(xiàn)有材料的潛在性能，并能發(fā)現(xiàn)新的強(qiáng)化相，消除某些有害相，此方法有利于高強(qiáng)鎂合金的制備。

2.3 機(jī)械合金化技術(shù)

機(jī)械合金化技術(shù)(Mechanical Alloying，MA)是當(dāng)今備受關(guān)注的一項(xiàng)材料制備新技術(shù)，該技術(shù)最先由美國(guó)INCO公司的Benjamin[29]于1960年在美國(guó)首先開(kāi)發(fā)，目的是開(kāi)發(fā)一種用于制造彌散強(qiáng)化合金的新材料加工技術(shù)[30]。直到1980年Yermokov[31]和Koch[32]等人相繼用機(jī)械合金化技術(shù)實(shí)現(xiàn)非晶化，機(jī)械合金化技術(shù)引起了各國(guó)材料科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，其非晶態(tài)研究和新材料開(kāi)發(fā)的浪潮已在全球范圍內(nèi)掀起。到目前為止，機(jī)械合金化技術(shù)仍廣泛應(yīng)用于高性能結(jié)構(gòu)材料和新型功能材料的制備。其基本原理[33]就是將要用于制備的金屬粉末按合適的配比進(jìn)行混合，再通過(guò)機(jī)械能將粉末反復(fù)擠壓、冷焊和壓碎等，成為具有相對(duì)平均尺寸的超細(xì)顆粒，并在固態(tài)狀態(tài)下合金化。沈平[34]采用機(jī)械合金化和粉末壓制燒結(jié)法制備了Mg-XZr合金，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，合金阻尼性能隨Zr含量的增強(qiáng)先增加后降低再增強(qiáng)，合金力學(xué)性能隨Zr含量的增加先增強(qiáng)后降低。陳秀娟等人[35]通過(guò)機(jī)械合金化技術(shù)制備Ti-Mg系合金，改變其合金質(zhì)量配比能夠?qū)崿F(xiàn)Ti與Mg之間最大固溶化。王曉麗[36]利用機(jī)械合金化技術(shù)制備Mg-Cu系合金，發(fā)現(xiàn)此方法不僅能夠大幅度提高M(jìn)g在Cu中的固溶度，還能通過(guò)提高球磨轉(zhuǎn)速加快非晶化的形成過(guò)程。李澤敏[37]通過(guò)機(jī)械合金化技術(shù)制備Ti-Mg系合金，發(fā)現(xiàn)Ti的晶格常數(shù)變化率隨配料比的增加而增大，球磨時(shí)間越長(zhǎng)，其粉末顆粒的平均晶粒尺寸越小，球磨達(dá)到一定時(shí)間后粉末顆粒的形態(tài)就會(huì)趨于穩(wěn)定。目前機(jī)械合金技術(shù)已廣泛應(yīng)用于非晶納米材料、超導(dǎo)材料、耐高溫材料等領(lǐng)域，對(duì)高強(qiáng)鎂合金材料的制備提供有利的途徑。

2.4 擠壓成型技術(shù)

擠壓成型技術(shù)(Extrusion Moulding，EM)是經(jīng)過(guò)壓力或推力使鎂合金在模具型腔壓制成型的方法，擠壓成型后可以同時(shí)細(xì)化基體晶粒與合金相，從而大幅度提升合金性能。郭強(qiáng)等人[38]通過(guò)擠壓成型技術(shù)鍛壓AZ80鎂合金，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度和力學(xué)性能都得到大幅度提升。陳彬等人[39]通過(guò)常規(guī)擠壓和等道角擠壓制備Mg97Y2Zn鎂合金，發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸越細(xì)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越高。幸侃[40]利用擠壓成型技術(shù)制備Mg-Zn-Y合金，發(fā)現(xiàn)擠壓后鎂合金比鑄態(tài)鎂合金抗拉強(qiáng)度高兩倍，保溫處理后其屈服強(qiáng)度有小幅度提升。王建民等人[41]通過(guò)擠壓成型技術(shù)制備新型合金，改變AZ91鎂合金中Zn和Al含量，采用傳統(tǒng)的熔煉技術(shù)與擠壓成型工藝相結(jié)合的方法可以制備出室溫抗拉強(qiáng)度超過(guò)300 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到10%左右的高強(qiáng)度高性能的鎂合金。李亞國(guó)等人[42]的研究表明：同淬火條件下相比，在擠壓狀態(tài)下獲得的MB26(Mg-Zn-Zr-RE)鎂合金力學(xué)性極好，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)370 MPa以上。肖陽(yáng)等人[43]經(jīng)過(guò)鑄態(tài)擠壓后獲得的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr新型鎂合金強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕和易焊接；并且該鎂合金的力學(xué)性能在不同溫度下都較好，尤其在抗拉強(qiáng)度方面性能極其優(yōu)越。擠壓成型方法易于操作并且十分靈活，鎂合金可以通過(guò)擠壓更好地細(xì)化晶粒并提高強(qiáng)度和可塑性。而且鎂合金擠壓制品一般都具有較好的表面質(zhì)量和精準(zhǔn)的尺寸。擠壓變形是當(dāng)今鎂合金加工中最廣泛的一種工藝。

3 展望

我國(guó)是鎂含量最多的國(guó)家之一，在鎂合金發(fā)展方面已取得重大發(fā)展，并逐步向鎂合金生產(chǎn)和研究大國(guó)這一角色轉(zhuǎn)移。對(duì)高強(qiáng)鎂合金深入研究表明，最為常見(jiàn)的是通過(guò)添加少量或微量的稀土元素來(lái)提高鎂合金的強(qiáng)度。除傳統(tǒng)的鍛造，擠壓或軋制等工藝外，超聲波熔體加工、注塑工藝、半固態(tài)成型工藝、快速凝固、粉末冶金、噴射沉積技術(shù)等新工藝也慢慢在高強(qiáng)鎂合金方面嘗試?，F(xiàn)有工藝生產(chǎn)的鎂合金不僅規(guī)格小，成本高，而且塑性低、耐蝕性低。另外，如今還未開(kāi)發(fā)出廣泛用于工業(yè)的新技術(shù)。因此，以較低的成本生產(chǎn)大型、高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能的高強(qiáng)鎂合金將成為鎂合金研究工作的重點(diǎn)。