基于噴射沉積技術的新型鎂合金制備研究

摘要：由于鎂合金具有優良性能，它在航空、通訊、汽車等眾多領域應用廣泛。傳統鎂合金制造工藝對于制造條件要求較高，成品在科學研究中有很大的局限性。本文陳述了一種新的鎂合金制備工藝，即采用噴射沉積技術加入堿土元素Ca和稀土元素Nd制備新型鎂合金。新型鎂合金可優化性能，加快科研進程。

關鍵詞：噴射沉積；鎂合金；熱擠壓

由于鎂合金比強度高、彈性模量低、減震性能好、切削性能優良、質量輕、電磁屏蔽性能優良、回收率高、新型環保等優點，鎂合金材料在汽車制造、航空航天、電子計算機、通訊衛星等領域的應用越來越受到重視[1]。我國礦藏鎂資源豐富，自從我國國民經濟戰略性結構調整和西部大開發戰略實施以來，我國鎂工業的發展前景不可小覷，國家科技部已經把鎂材料的開發應用列入高新技術發展計劃[2]。鎂合金正式成為繼鋼鐵、鋁之后的第三大金屬工程材料，也是未來工業、商業共同開發研究的重要材料[2，3]。高性能鎂合金的制備成為今后研究的熱點及難點。

1 新型鎂合金制備技術

（1）傳統工藝的制備缺陷。

按照傳統工藝，可以通過鑄造或壓力成型獲得鎂合金。鑄造工藝制備鎂合金，由于鑄模、鑄造溫度、冷卻條件的交互影響，在制備過程中極易造成混入雜質、成分不均勻、氣孔、開裂等各種問題。壓力成型工藝獲得鎂合金，在制備過程中對模具、壓力、溫度等因素要求較高，性能不穩定。因此新型的鎂合金制備工藝研究勢在必行。

（2）新型金屬噴射沉積技術。

金屬噴射沉積技術簡稱噴射成型，又稱噴射鑄造或噴射沉積，在商業上通稱為奧斯普瑞工藝[4]。該工藝產生于20世紀60年代，經過50余年的發展，現在是一種非常成熟的制備工藝，被廣泛應用于鋁合金、鎂合金、銅合金等材料的制備，應用前景非常看好。

鎂合金噴射沉積是美國在1987年首次進行研究完成的，之后法國、德國等也積極投入研究，并取得了顯著成效。鎂合金噴射沉積工藝主要分為霧化和沉積兩個過程。不同金屬的霧化效果不同，為了保證更好的霧化效果，必須進行合理的霧化參數設置。同時，沉積過程中控制沉積器的下降速度，調整霧化掃描間距、沉積器直徑，可以根據實驗需求制備相應尺寸的合金坯錠。

（3）鎂合金熱擠壓處理。

對于噴射沉積制備而成的材料，在噴射沉積過程如果處理不當或者氮氣壓力不足等情況會使坯錠進入部分空氣，在凝固的時候由于熱脹冷縮不均勻也會產生一部分孔洞，而這些孔洞，極易造成成分和組織的不均勻性。為了改善沉積錠的這種不均勻性，保證其質量，在進行熱加工之前往往需要對合金進行均勻化處理。

擠壓技術是一種不需要切削的加工工藝，具有低消耗、快速、高效的特點，在工業制造、機械加工、建筑、航空、通訊、電子等行業應用廣泛，是金屬塑形加工的重要方法。尤其在鋁合金、鎂合金、銅合金的管、線等制造方面使用突出[3]。熱擠壓處理過的試樣表面光潔度高，尺寸精度也較高，只需要經過精整處理就可使用。熱擠壓通常受擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比、冷卻速度等因素的影響。

2 噴射沉積工藝制備新型鎂合金

（1）沉積坯的制備。

本文所用材料為Mg12.55Al3.33Zn型鎂合金中加入少量Ca元素與Nd元素，使用英國引進的Osprey噴射沉積設備，采用氮氣保護進行噴射。噴射室頂端的坩堝中用來熔化金屬，一邊熔化，一邊注入氮氣防止氧化，然后利用該設備制取鎂合金錠。利用氮氣氛圍保護，不但降低了成本，還可以通過改進工藝參數提高材料的性能。

（2）熱擠壓成棒材。

由于固體與液體的凝固速度不一樣，造成沉積坯內部有孔洞缺陷，需要進行后續加工消除組織缺陷，故采用熱擠壓方法對合金進行致密化處理。由于沉積坯成分不均勻，邊緣部分缺陷多，心部組織成分相對穩定，所以取心部組織用來熱擠壓處理，然后進行試驗觀察組織及進行性能測試。在沉積坯中部距外表面20～60mm處取樣進行擠壓，制取直徑為30mm的圓柱棒材。擠壓參數如下表所示。

3 元素Ca和Nd在Mg12.55Al3.33Zn型鎂合金中的作用

鎂合金中加入堿土元素可以很好的改善其性能。而Ca元素由于資源豐富、價格便宜、性能優良等被廣泛應用在鎂合金制品中。Ca元素的加入對鎂合金有抑制氮化的作用，也可以防止鎂合金被氧化，降低其在空氣的燃燒的概率。如果鑄造鎂合金中加入Ca元素，可以明顯改善鎂合金的品質，提高其性能。通常Ca的摻雜量不會太多，一般控制在0.3%以內。一旦Ca的加入量過大，會成為有害元素，加劇合金的開裂傾向，降低材料的強度和硬度。但是在鎂合金噴射沉積制備過程中，合理的掌握好Ca的加入量，可以有效避免Al元素偏析，形成細小的Al2Ca相，起到細晶強化的作用[5]。另外Al2Ca相可以釘扎在晶界處，抑制晶粒長大，保持沉積相的微觀組織形貌。

稀土元素由于其化學性質活潑，又能彌散分布在鎂合金基體中，能有效避免H、O、S、Cl、Fe等雜質析出或者形成有害相[6]。另外稀土元素在鎂合金中的固溶度較大，在熱處理過程中均勻分布，部分釘扎在晶粒晶界處，能防止晶粒長大，起到固溶強化的作用。另外稀土元素還能防止合金被氧化，提高合金的耐蝕性和耐磨性，可以顯著的提高鎂合金的力學性能。稀土元素Nd的加入能明顯提高鎂合金熔體的流動性，降低微孔率，減輕疏松和熱裂傾向提高耐熱性。最重要的是可以改善其高溫蠕變性能，減小再結晶傾向、晶粒長大以及阻止晶界遷移。

未來，鎂工業的發展必須把鎂資源綜合利用和新型鎂材料的開發結合起來，在鎂原料生產、鎂合金制備等方面確定重點科技公關課題，加快科研開發進程，其開發利用的水平高低對社會的發展有著重要意義。

參考文獻：

[1] 吳國華，陳玉獅，丁文江.鎂合金在航空航天領域研究應用現狀與展望[J].載人航天，2016，22（3）：281292.

[2]丁文江.鎂合金科學與技術[M].北京： 科學出版社，2007：365 371.

[3]“十五”國家科技攻關計劃重大項目“鎂合金開發應用及產業化”成果新聞發布會，科技部， 2002.12.20.

[4]Gnano P S. Spray Forming[J].Progress in Materials Science， 1995，39： 497506.

[5]程素玲，楊根倉，樊建鋒，等.Ca，Y對AZ91鎂合金顯微組織和力學性能的影[J].稀有金屬材料與工程，2006，35（9）：14001403.

[6]劉剛強，陳樂平，艾云龍.稀土 Nd對ZMS合金組織與性能影響的研究[J].特種鑄造及有色合金，2005， 25（7）： 496498.

作者簡介：王營霞（1986），女，漢族，河南濮陽人，碩士，助理工程師，現在西安工業大學國有資產管理處工作，研究方向為設備管理。