基于數(shù)值模擬的鎂合金研究發(fā)展現(xiàn)狀

王飛，馬明亮，郭純

（1.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2.中國船舶集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

鎂合金在當(dāng)今世界的應(yīng)用是十分多的，它所具有的獨(dú)特性也使得它成功地登上了世界的大舞臺(tái)，改變了我們世界汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變。

1 鎂合金

1.1 鎂

鎂在我們地球中的含量約占2%的質(zhì)量。鎂的顏色為銀白色，粉末狀，熔點(diǎn)較高，有649℃，且質(zhì)量十分的輕，密度只有1.74g/m3，僅有銅密度的1/4。鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，所以經(jīng)常被用來作還原劑。由于世界環(huán)境的問題，目前節(jié)能、環(huán)保之類的概念在全球范圍內(nèi)都是非常熱門的話題，鎂金屬憑借著其密度小等優(yōu)異的特性，被應(yīng)用于諸多鎂合金產(chǎn)業(yè)中，鎂合金產(chǎn)業(yè)也迅猛發(fā)展。目前，冶煉鎂金屬可以用兩種方式：（1）從尖晶石、鹵水或海水中將含有氯化鎂的溶液經(jīng)脫水或焙融氯化鎂熔體，之后進(jìn)行電解，此法稱為電解法；（2）通過硅鐵對(duì)煅燒碳酸鹽所產(chǎn)生的氧化鎂進(jìn)行熱還原，這種方法稱為熱還原法(皮江法)。

1.2 鎂合金

鎂合金是用鎂和其他元素相融合所產(chǎn)生的具有優(yōu)良特性的合金。經(jīng)常與鎂合金搭配使用的合金元素有Al、Zn、稀土金屬元素、Li、Ag、Zr、Th、Mn及微量Ni等。鎂及鎂的合金極其容易被氧化，所以需要在表面進(jìn)行一些特殊的處理，以保證鎂及鎂合金的性質(zhì)。

化學(xué)轉(zhuǎn)化處理：是被經(jīng)常用到的鎂合金表面改性技術(shù)的其中一種，它是通過一種處理液，使之與鎂合金材料構(gòu)件進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在材料構(gòu)件的表面產(chǎn)生一層保護(hù)膜，來保護(hù)鎂合金不和其他物質(zhì)反應(yīng)，這種處理的方法簡單，而且成本不高，不需要太多的機(jī)器設(shè)備。但其缺點(diǎn)也很明顯，這個(gè)方法形成的保護(hù)膜一旦受到破壞，便極其容易損壞，所以只能起到減緩的作用，不適合長期的使用。

絡(luò)化處理：目前，該領(lǐng)域應(yīng)用的最廣泛的一種方法，相對(duì)應(yīng)的這種技術(shù)也是較為成熟的一種。這種技術(shù)使用絡(luò)鹽酸對(duì)材料進(jìn)行處理，使材料實(shí)現(xiàn)化學(xué)方面的轉(zhuǎn)化處理。它的原理是通過溶液使鎂合金中的鎂原子溶于溶液，同時(shí)，通過與溶液中的離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在鎂合金的表面，沉積一層絡(luò)鹽酸和其他成分的氧化膜來保護(hù)鎂合金不受腐蝕。其特點(diǎn)是可以通過水膨脹的方式進(jìn)行自我修復(fù)。但是，同樣的，它也具有與化學(xué)處理相同的問題，保護(hù)膜太過容易受到破壞，不能長期使用。

磷化處理：是現(xiàn)階段發(fā)展迅速的一種新的表面處理技術(shù)，它會(huì)在將來代替絡(luò)化的工作，成為主要的表面改性方法。它與絡(luò)化和化學(xué)轉(zhuǎn)化的最大區(qū)別就在于其所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化膜會(huì)結(jié)合得十分牢固，非常耐腐蝕且不容易被破壞，但是，也不適合長期防護(hù)。同時(shí)，這種方式具有毒性和對(duì)大自然的污染。所以，在鎂合金的表面改性方面對(duì)新技術(shù)的需求還是較為迫切的。

1.3 鎂合金的發(fā)展

1927年，一種具有高強(qiáng)度性質(zhì)的鎂合金MgAI9Zn，被首次研發(fā)出來，這是鎂合金發(fā)展過程中上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。隨后，鎂合金被使用在汽車零件上，更是被應(yīng)用于飛機(jī)上。從這以后，鎂就開始被廣泛應(yīng)用于世界。由于歷史原因，我國的鎂工業(yè)起步較晚，但是，也取得了一些新的科研成功并加以利用和推廣。并且伴隨著我國合金技術(shù)的快速發(fā)展和鎂合金加工技術(shù)的極大改善，鎂合金逐步地占據(jù)了合金市場的一角。尤其是加入一些新的元素后，克服了大量的缺點(diǎn)，極大地促進(jìn)了鎂合金這一行業(yè)的發(fā)展。

1.4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬可以等價(jià)為使用計(jì)算機(jī)完成實(shí)驗(yàn)。比如，需要計(jì)算某一特定機(jī)翼的繞流數(shù)據(jù)，我們在利用計(jì)算機(jī)計(jì)算后，將結(jié)果輸出到顯示屏上，我們就可以觀察到流場的那些細(xì)微之處：如激波是否存在，它的位置、強(qiáng)度、以及流動(dòng)的分離、表面壓力的分布、受力的大小以及其隨時(shí)間的改變等。所以數(shù)值模擬能夠真實(shí)地體現(xiàn)出流場，而且與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)相比較，并沒有多少差別。與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值模擬具有大量的優(yōu)點(diǎn)，且易實(shí)行。2005年，張先宏登利用數(shù)值模擬對(duì)AZ31鎂合金壓縮和擠壓過程的應(yīng)力-應(yīng)變和溫度場實(shí)行模擬，并取得了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬對(duì)于我們來說，具有極大的作用。在實(shí)際生活中，實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和時(shí)間只占據(jù)了我們的一小部分，由于場地、材料和各種各樣的原因，實(shí)驗(yàn)的過程并不是一帆風(fēng)順的。而數(shù)值模擬的好處就可以體現(xiàn)出來，它并不太受場地的影響，也不會(huì)有什么安全問題，更不會(huì)因?yàn)槭裁床僮鞫鴮?dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失敗，還可以加大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和掌控計(jì)算機(jī)的能力。

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，我國已經(jīng)開始對(duì)Mg系列合金進(jìn)行了探索和研究，探討新的材料的性能。在80年代初，由我國北京航空材料研究所研制的九種鑄造鎂合金被大量的使用在國內(nèi)的各項(xiàng)工業(yè)上，其中的ZM3合金更是用于國防工業(yè)。在隨后的時(shí)間里，稀土金屬受到了廣泛的關(guān)注和重視，在1980年的ZM9就是其代表產(chǎn)物。ZM9的功能性更是與釷合金HZ32A沒有太大差別，而且其不會(huì)像HZ32A那樣具有放射性，也填補(bǔ)了我國在300℃鎂合金領(lǐng)域的空缺。其同時(shí)代的ZM6合金，也被國外所采納，我們所依靠的進(jìn)口也被其所結(jié)束，實(shí)現(xiàn)了基本的自給自足。在那個(gè)年代，我們國家所展現(xiàn)出來的科研實(shí)力也被世界所認(rèn)可，研究成果也都被大量應(yīng)用于航空、汽車領(lǐng)域。

3 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外鎂合金的發(fā)展可以以前蘇聯(lián)、日本、歐美為代表。前蘇聯(lián)在為航天領(lǐng)域的探索所努力，他們對(duì)鎂釔合金做了大量的實(shí)驗(yàn)，通過這些實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)摻雜10%Y的鎂合金能夠在低于260℃的環(huán)境中正常使用。摻雜9%的Y，1%Zn的鎂合金會(huì)表現(xiàn)出極高的耐熱性以及抗腐蝕性。與我們國家的所研發(fā)的稀土釷鎂合金相比，其具有極高的耐熱性，且不具有放射性。歐美國家的汽車工業(yè)領(lǐng)域正在快速地進(jìn)展，他們已經(jīng)開始探索耐熱鎂合金的大規(guī)模生產(chǎn)。AS41鎂合金就是其第一件產(chǎn)物，生產(chǎn)AS41需要采用高壓鑄造來實(shí)現(xiàn)，加入0.1%的Ca能夠加強(qiáng)合金的極限抗拉強(qiáng)度和伸長率。然后，其后系列的AS42鎂合金也被研發(fā)出來，應(yīng)用于汽車零件。英國則在對(duì)鎂-釔-釹基合金發(fā)起了大量的探究，隨后，則研究成功了WE型鎂合金，該合金在性能方面已經(jīng)可以和鑄造類鋁合金相等。日本由于地理位置等原因，一直重視著新材料的開發(fā)，開發(fā)出了一系列的研究成果，并于1994年提出Mg-Al-Ca-Mn新的思路。

4 發(fā)展前景

鎂和鎂合金是目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ妮p型材料之一，具有極大的發(fā)展前景，鎂合金在各行各業(yè)的應(yīng)用也在不斷增加。而我國的鎂含量占世界的1/4左右，我們占據(jù)著極大的資源，其未來前景十分廣泛，但是，由于我國在鎂合金的相關(guān)領(lǐng)域中缺少必要的研究，我國距離鎂合金的大規(guī)模應(yīng)用還有很長的一段路要走，且大多數(shù)為廉價(jià)的初級(jí)加工產(chǎn)品，所含的技術(shù)并不多。所以，未來我國的鎂合金的市場是十分廣泛的，只要能夠合理地開發(fā)，其所蘊(yùn)含的價(jià)值會(huì)回饋到我們的國家，改善我們的生活。