高性能镁合金发展现状与趋势

高性能镁合金发展现状与趋势 摘要 镁合金作为 21 世纪的绿色环保工程材料近年来已成为全球学术界的一个研究热点并越来越受到工业界的重视。目前我国在镁合金的研 究和应用上取得了很大进展 ,已经研制出耐热镁合金 、高强高韧镁合金等新村料,在变形镁合金领域也取得 了突破,本文重点介绍几种有特色和良好应用前景的高性能镁合金,以及镁 合金成形加工技术的最新研究进展。高性能镁合金包括阻燃镁合金 、低成本高强度铸造镁合金和高强耐热变形镁合金 ,成形加工技术包括镁合金涂层转移精密铸造技术、镁合金熔体复合纯净化技术、不含六价铬离子的镁合金超声阳极氧化表面处理技术、大型镁铸件低压成型技术以及镁板差温拉深工 艺。镁合金的深入研 究有力地推动 了镁合金产业 的发展 。 关键词 镁合金 涂层转移 低压铸造 超声阳极氧化 差温拉深 镁是最轻的金属结构材料其比重只有留7.14g/cm²,仅相当于铝的2/3,钢的1/4 。同时镁合金还具有比强度比刚度高、尺寸稳定 、导热导、电性好 、阻尼减振 、电磁屏蔽 、易于加工成形和容易回收等优点, 因此有人将镁誉为 “21世纪绿色工程金属”。镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料,已成为国防军事、航空航天 、汽车 、电子通信等 工业领域的重要材料。尤其是我国目前大飞机 、绕月 、高速轨道交通 、电动汽车等大型工程项目的启动,对镁合金有更大的希望 ,也提出 了更高的要求。使用镁合金制造汽车零部件,不仅减轻汽车自身质量 、降低油耗 ,而且有助于质量的优化分布,从而改善汽车的驾乘舒适性和安全性。在国防军事领域,降低重量意味着可以提高武器的射程和命中精度 ,也可以提高飞行器的机动性能 ,还可以降低航天器火箭、飞船等的发射成本,因此镁合金被应用于制造飞机 、导弹、飞船、卫星 、轻武器等重要武器装备零件。 然而，目前镁合金的应用远不如同期发现的铝合金那么广泛 , 究其原因则主要是因为目前的镁合金 ： （1） 绝对强度仍然偏低 ,尤其是高温力学性能较差,当温度升高时, 它的强度和抗蠕变性能往往大幅度下降。 （2）室温塑性低 、变形加工能力较差。 （3） 化学活性高、易于氧化燃烧 、使其熔炼加工困难。 （4） 抗腐蚀性差 ,缺乏有效和积极的腐蚀防护途径。 因此,发展高性能的镁合金及其加工方法是最近 20年镁合金研究的重要课题 ,目前国际 国内的镁合金材料及其工艺研究基本上是围绕解决以上几 个方 面的问题而展开的。本文将简明综述作者近年来开展这方面研究所取得的一些进展。 1、高性能镁合金研制 1.1、阻燃镁合金 针对镁合金熔炼易燃问题 ,系统研究 了镁的高温氧化特性、镁熔体与大气 的相互作用 ,提 出 了合金化阻燃的思路。通过在镁合金中添加微量Be 、Ga、RE等表面活性元素的技术路线开发Mg、AI、Zn、RE、X系阻燃镁合金 ,使镁合金熔体表面生成平滑致密的复合氧化膜,有效地阻止镁合金熔炼过程 中的剧烈氧化燃烧,将镁合金的燃点从 520℃大幅提高到760℃,实现了阻燃镁合金无保护熔炼,同时,阻燃性能的改善并不降低基础合金的力学性能 。 图1显示了AZ91D合金与阻燃镁合金IPMA2 分别在 760 ℃下熔炼时生成的氧化膜的微观形貌的显著差别。阻燃镁合金的铸造性能 、 压铸工艺 、塑性变形工艺也得到 了研究,并进一步发展成系列合金与工艺 压铸阻燃镁合金及其熔炼和压铸工艺 、耐热压铸阻燃镁 合金及其熔炼和压铸工艺、铸造阻燃镁合金及其熔炼和压铸工艺以及塑性变形阻燃镁合金及其熔炼和塑性变形工艺 。到目前该类合金已成功应用到工业生产 ,并生产出了轿车变速箱壳盖 、手机壳体以及 3C产品的外壳的镁合金产品。 1.2低成本高强度铸造镁合金 利用我 国优势资源稀土元素的强化效果,通过调整 RE/Zn开发了低成本的高强度铸造镁合金 Mg—3RE—Zn—1Zr—X(NZ30K),铸造性能与AZ91 合金相当, 其综合力学性能比AZ91 大幅度提高 该合金具有显著的时效硬化效应 ,Zn 的加入可提高合金的铸造性能和高温性能,Zr的加人细化厂NZ30K的晶粒,采用高温连续 固溶和双级时效热处理可形成弥散的Zr化合物和棱面分布的亚稳析出相β’、 β’’相，提高了合金强度和韧性。同时,该合金具有中等的高温强度和优良的抗蠕变性能以及优异的耐蚀性能如图2所示。由于该合金采用的是比较廉价的稀土元素而且其加人量也较低 ,因此合金成本得到很好控制,不超过AZ91D的 120%。目前该合金已应用于鱼雷舱体、轻型导弹舱体、汽车轮毅 、发动机支架等产。

1.3高强高温变形镁合金 通过调整Gd/Y、RE/Zn,综合运用固溶强化、时效强化、长周期有序结构强化和形变强 化 等 手 段 开 发 了 高 强 度 耐 高 温 的 Mg—Gd—Y—Zn—Zr系变形镁合金, 确定了该系合金的时效析出序列和相变模型 ,如图3 .LPSO结构的形成条件和强化机制,制定的形变热处理规范,获得了常规方法加工的强度最高的新型镁合金 。研究表明 ,含重稀土的析出相和 LPOS 结构均分别具有非常明显的强化效果（初步研究表明两种强化因素有共存的能性和条件 ）,高稳定性非常好,使该系列合金在200-300℃之间仍具有良好的力学性能。该系合金下一步的研究方向是调整合金成分和采用合理的加工工艺和热处理工艺形成长周期有序结构和析出相结合的多因素复合强化组织 ,有望进一步大幅度提高镁合金力学性能。图4显示了Mg—Gd—Y—Zn—Zr合金的室温与高温拉伸性能。目前已采用该合金开发导弹尾翼、高速列车用大承载型材、直升机机匣等部件。 2. 商性能镁合金成形加工技术开发 2.1涂层转移法精密铸造技术 对于复杂铸件,采用砂型铸造时往往需要制备复杂的砂芯 传统砂芯制备方法是 先向芯盒内填砂,然后从芯盒内取出型芯后 ,再在型芯表面刷 、喷、浸或流淌涂料 ,其涂料层均匀度难 以控制,并且型砂强烈吸水,涂料容易在型芯表面堆积 ,难以得到表面光洁的铸造模样,从 而影响最终影响铸件的尺寸精度和光洁度 。作者发明了镁合金 专用的非占位式转移涂料 ,先将涂料涂在模样表面上 ,然后在涂料上面充填造型材料,固化后涂层 自发地转移至型芯表面 。涂层完整地复制了模型表面的形状和光洁度 ,显著提高了铸件表面的光洁度和尺寸精度,称为涂层转移法 ,其与传统方法的原理比较见图 5。涂层转移法的关键是阴模阳做,通过与快速成形和无收缩硅橡胶复膜 等技术相结合来实现 ,可 以解决部分大型复杂镁合金零件的精密铸造难题。该技术已成功用于镁合金壳体等产品的生产（图 6 ）。 2.2大型铸件低压铸造技术 镁合金一般热容小、凝固区间大,容易产生裂纹、充填不均匀、偏析和组织粗大等铸造缺陷,且难以生产大型化 、薄壁或者结构复杂的铸件。作者将涂层转移制芯技术、柑锅液态金属密封技术与低压铸造技术相结合,开发了镁合金大型铸件的精密低压铸造成型工艺,并采用双炉熔炉、压力转炉方式保证镁液的高纯净度,工艺示意图如图 7。该工艺具有精密成型尺寸精度高、压力凝固组织致密高、涂层转移表面光洁等诸多优势,目前已经具备研发并小批量试制重量达100Kg镁合金铸件的能力。该工艺的几个关键技术： 1)柑祸密封技术。在支撑板和盖板之间采用铅25%、锡25%和秘50%的低熔点合金为密封材料,将其熔化后浇注在柑祸边缘的凹型槽中,凝固后形成合金圈。低压浇铸时 ,合金圈熔化成液态 ,由于合金液在温度上升时的体积膨胀 ,将盖板和法兰边张紧,使空气难以透过,达到了柑涡高度密封目的. 2)提高保压压力和梯度凝固技术提高合金液的充型能力,保证凝固组织更加致密化 、均匀化和细小化。 3)保护气氛加压技术。在干燥压缩空气中添加新型的R152保护气体, 防止增涡内镁熔体长期使用易氧化燃烧造成内部压力波动,使加压更加平衡。 2.2 镁板差温拉深工艺 虽然目前商业上镁合金的主要成型方式仍然是铸造方法 ,但塑性加工部件近年来也越来越受到重视和关注。镁合金的塑性加工方法主要有热挤压、等温锻造和等温轧制等几种。优质镁合金板材成形及其后加工技术的研发,已成为今后镁合金研究的一个重要方向。但由于镁合金是密排六方结构,特别是其轴比c/a=1.624,接近理想的轴比 1.63, 使其在室温下仅有三个独立滑移系,导致其室温塑性变形能力差。镁合金板材在室温下冲压成形几乎是不可能的 ,即使是高温下等温冲压其成形性仍然较差 。作者开发了一种镁板差温拉深工艺以及相关的板料成形实验机,通过计算机程序控制,可对镁板不同部位根据其深冲时的变形程度进行差温加热,并精确控制动态压边力,综合利用镁合金在高温时的变形能力和低温时的加工硬化能力,从而实现在较低的成形温度下达到更高的极限拉深比。差温拉深的原理图和实验装置如图8 所示。采用这种工艺可使常规轧制 AZ31板材在 180℃时的极 限拉深比LDR达到3.2,接近同等条件等温拉深的2倍,如图9所示。这项技术为将来3C等产品的温冲奠定了很好的基础 ,是一项很有发展前途的技术。

2.4镁合金表面超声波阳极叙化技术 镁合金极易腐蚀 ,其产品一般都需要进行表面处理。传统的铬酸盐处理工艺对人体和环境有害,已经被限制使用 。轻合金精密成型国家工程研究中心开发了一种镁合金超声阳极氧化表面处理技术,相比于统的阳极氧化工艺有了较大的进步: 1)通过施加超声场形成薄而致密的氧化膜结构,提高了涂层致密性与生长效率,从而提高了耐蚀性. 2)电解液配方不含六价铬离子,环保性能好 . 3)设计了多功能阳极氧化电源结合专用的电解液对氧化时的 “火花”进行主动控制,形成 “无火花”阳极氧化工艺,这种氧化层孔隙直径小 ,附着力好,表面均匀光滑 ,不会在棱边棱角处产生烧损现象。 图10 是镁合金常规阳极氧化和超声阳极氧化的微观结构比较以及处理的镁合金产品 ,可以看出超声阳极氧化的涂层更为致密、光滑 、附着力好。