镁锂合金的开发 加工和应用

镁锂合金的开发加工和应用

镁产品主要用于汽车工业。运动件质量的减少可以降低能源消耗，因此对环境有利。在欧洲，镁曾经一度流行。1934年，德国大众汽车公司将镁铸件用于发动机结构和驱动系统，二战后，1949年，德国大众汽车公司再次开始生产镁零件。1971年，大众汽车公司的镁使用量达到高峰(42000t/a)。1995年大众汽车公司再次使用镁，用于帕萨特、奥迪A4、奥迪A6的齿轮箱。从长远看，每辆轿车用镁量将达到100kg。预计2005年，轿车用镁量将增加25%；2010年再增加30%，其它需要轻合金的工业也使用镁，如：体育休闲领域。

目前，镁结构材料主要通过压模铸造和铸造方法制备。其它加工方法也越来越重要，特别是轧制、挤压、锻造等成型工艺，可以有效地生产零部件、异型件、半成品。

标准合金是MgAlZn和MgAlMn基的结构材料，通过压模铸造方法制备，添加硅或稀土元素可以改变其蠕变性能和高温性能，如细结晶的锆合金系可进行砂模铸造、冷铸造和成型工艺。添加相对贵重的稀土元素如铱、银可以将其使用温度提高至300℃，用于航天和汽车发动机部件。降低密度的MgLi合金的研究，主要是为了提高成型性能。其它合金研究包括镁锂合金中诸如：钙、钪、钇金属间化合物相的产生，这样可以提高热强度性能。由于镁锂合金良好的高温性能、刚性和摩擦性能，它将以新的纤维和颗粒增强复合材料应用于高应力领域。非晶态镁材料还处于初期发展阶段，材料性能范围扩大，直接与新的加工技术有关，除传统的加工工艺外，特殊镁材料可使用像铸造触变技术、快速成型、喷射成型和在线合金化的惰性颗粒弥散的雾化技术。此外，材料泡沫化是生产超轻结构材料的一种方法。

Ｍｇ－Ｌｉ合金系德国汉诺威大学材料科学学院主要进行MgLi合金的开发。作为结构材料要求镁合金的性能范围必须拓宽。一方面对超轻的体心立方的MgLi40at%，密度为1.3g/cm3进行了仔细研究。它的高比强度和高延展性被其相对较低的耐热、耐蠕变性能所抵消；另一方面对六方的MgLi12at%和添加其它元素的合金性能进行了仔细分析。锂对六方镁晶格的影响通过冲击强度实验进行分析。其延展性提高机理是锂代替镁原子，减小了晶格轴比c/a值。原子间距的减小降低了六方晶格沿斜面{1010}晶面系，〈2110〉晶向簇滑动的动能。该滑移在室温下即可发生。当然，高变形主要是由基面{0001}、〈2110〉进行的。

通过对MgLi12at%（xMgLi4mass%）与相应标准合金的机械性能比较可以看出，低沉淀相的MgLi固溶合金显著提高了其延展性，尽管其是六方结构，该合金系的机械性能的进一步优化已能满足很大应用领域的需求。

Ｍｇ－Ｌｉ合金系的腐蚀控制镁合金的应用因为其耐蚀性差而受限制。锂、铝、镓对耐腐蚀有着特殊的机理和作用。MgLi12at%可获得高的耐蚀性能。铝和镓分别提高其在大气和人工海水中的耐蚀性能。选择锂是因为其在所有pH值下，不与OH- 发生反应。这样就可以在表面形成Mg(OH)2层，由Li增加pH值来提高稳定性选择的实验合金为hcpMg、MgLi8at%、MgLi12at%和bccMgLi40at%。实验结果表明，在加少量锂范围内，其腐蚀速度随锂含量升高而降低。但大量添加锂，如MgLi40at%腐蚀加快。

hcp MgLi12at%腐蚀速度在200h之后，仅为镁的一半。但是考虑腐蚀速度的同时必须考虑Mg(OH)2的附着强度，还必须添加其它

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元素进行稳定化。添加元素必须与镁晶格匹配，又能避免动态碱性化引起Mg(OH)2层的连续形成和溶解，镁和铝被选作Mg(OH)2层进一步稳定化的元素。铝与镁固溶或形成MgAl2O4保护层。然而高的铝含量如8at%将引起多相结构的选择腐蚀。在中性环境下，铝可以在镁表面形成Al2O3保护层。钙的耐腐蚀原理同锂一样。总之，这两种添加元素都可以形成基于Mg(OH)2的保护层，从而使Mg三元合金系MgLiAl、MgLiCa具有更好的耐蚀性能，同时具有增强的延展性和抗蠕变性能。

加工为实现开发镁合金材料的综合性能，重点是开发材料冶金工艺和可行的熔炼工艺。材料冶金工艺技术的基础是改善炉子系统，使之能处理高活性镁蒸汽，避免污染。炉子的所有部件要与大气隔离，用惰性气体保护。铸造工艺已经从砂模、重力铸造升级到质量优化的冷炉室压模铸造。对进行批量生产的连续铸造设备也进行了尝试。除此之外，还努力进行快速凝固如：惰性气体雾化工艺和喷射成型。该炉子的有效性已通过小批量生产得到验证。在进行冷炉室压模铸造时，可以进行体积的准确测定。全部压模铸造过程由程序存储控制单元进行控制。

快速凝固快速凝固过程有以下优点；组织细化，相分布均匀；减少或避免宏观偏析；强制固溶。这些优点提高了材料在室温下和更高温度下的机械性能。粉末冶金技术可以制备新合金和复合材料，喷射铸造还处于发展阶段，喷射铸造与传统的粉末冶金技术相比，仅一步成形，避免了污染。其晶粒尺寸达到50ìm，成分均匀，其硬度比冶金方法高20%。

开模铸造镁开模砂型铸造可以制备块状产品及其系列产品。其关键工艺是通过利用的熔剂或惰性气体来避免活性的镁在熔炼和铸造时氧化。在铸造时，为了避免液态镁与铸模中的潮气或铸模材料本身发生反应，可以采取以下措施：

▲采用抑制剂。将抑制剂与铸模材料混合，或在熔化金属表面形成固态、惰性层。避免铸模与液态镁的反应。

▲精整填料沉淀。将填料如：Molco41A （基于KBF4）、AlF3沉积于铸模表面，而不是混合所有铸模材料。

▲采用透气性好和不易反应的铸模材料。这些材料几乎不与液态镁反应，并能较好地透气，如石墨或泡沫塑料。石墨材料特别适用于开模铸造高活性MgLi合金。其中采用膨润土做粘结剂，实验表明，铸件质量理想，但模具加工技术还需提高。

镁新应用领域镁的另一新应用是在外科中用作医用植入材料，它具有低的密度、优异的缓冲性能、大量永久模铸造和良好的耐蚀性能。镁是人体重要元素，镁在体内溶解很快，少量镁是人体必须元素而不会损害组织，。所以镁可作为临时植入材料，镁除了具有良好的生物化学兼容性外，还有非常良好的机械兼容性。镁的弹性模量非常接近皮层，其最终抗拉强度高于一般的生物可降解聚合物植入材料。聚合物材料在体内产生排异而镁却无此现象。德国汉诺威大学的学者成功地进行了心血管延伸植入材料的玻璃试管内及体内的实验。

结论1、德国汉诺威大学材料科学学院进行了镁技术领域的合金开发、加工工艺、性能测试等工作。2、添加锂使六方固溶镁晶体提高了延展性，与传统镁材料相比，往MgLi 合金中添加铝、稀土、锌和锰，除了密度降低外，可明显提高其性能。3、4%(质量百分数)Li、Ca和Al可提高镁合金耐蚀性能。其机理在于形成与材料相关的保护层。4、对活性镁熔炼的设备进行了改造，生产了大体积、高活性的MgLi半成品。可以在熔炼中进行惰性气体熔融金属雾化和喷射压制成型。通过安装单独的测量室，可为在压模铸造时进行熔融金属体积的精确控制。开模铸造提供了MgLi合金和镁标准合金的原形件和系列产品批量生产的可

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