高強鎂合金的制備及研究進展綜述

王小蘭，李秀蘭，洪小龍，王 斌，周立玉，王 宣

(四川輕化工大學機械工程學院，四川 宜賓 644000)

當前實用金屬材料中最輕的是鎂合金，它有“21世紀綠色工程材料”的美稱。鎂合金具有比強度高、彈性模量大、散熱好、減震性好、承受沖擊載荷能力強等優點。鎂合金在某些特定環境下可以代替塑料、鋁合金和鋼制零件，是交通運輸行業、航空航天、通訊電子等領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用。因此，對于高強鎂合金的研究與制備就顯得尤為重要[5-7]。目前，高強度鎂合金的強化工藝有大塑性變形、合金強化、熱處理等[8]，高強鎂合金能夠有效地解決鎂合金存在的普遍問題。本文詳細介紹了鎂合金的分類與性能，綜述了高強鎂合金的制備工藝與應用現狀，并展望了高強鎂合金的應用前景。

1 鎂合金

1.1 根據加工工藝分類

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150 ℃；Mg-Zn-Zr系合金焊接性能較為優異；Mg-Al-Zn-Mn系合金具有優異的機械性能和可焊性。變形鎂合金晶粒尺寸較小，有良好的力學性能。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構優異、加工周期短、裝配成本低、適用于大批量生產等特點。

1.2 根據是否加入RE分類

1.2.1 常規鎂合金

常規鎂合金可分為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)屈服強度高；AM 系合金(Mg-Al-Mn)具有優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。Mg-Zn系列合金是最具有發展前景的耐熱鎂合金，它具有強大的時效強化能力和出色的高溫機械性能，承載能力強，鑄造成本低。表1是Mg-Zn系典型鎂合金的力學性能[10]。

表1 Mg-Zn系典型鎂合金的力學性能[10]

1.2.2 稀土鎂合金

傳統鎂合金高溫強度和耐熱性能始終沒能達到理想要求，而且工作溫度不能超過125 ℃，在航空航天、汽車等動力系統的高溫環境中很難適用。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生。稀土元素主要是在合金中形成性能優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致位錯密度增加，晶格發生畸變。適量的稀土元素可以改善合金的流動性、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，特別是對于鑄造鎂合金[11]。

(1)Mg-Y系

稀土Y在Mg中的最大固溶度為12.7%，時效強化強度更高。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) ，其適應工作環境最高可達300 ℃，高溫環境下仍能保持優異的強度，經過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]的研究發現，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容易在高溫下發生反應生成Mg3Gd化合物，Mg3Gd具有高熱穩定性，能夠提高鎂合金耐熱性，是鎂合金系中可以進行充分熱處理和沉淀強化的典型Mg-Gd系鎂合金。Rokhlin和Kamado通過研究發現，該系列合金比常規的耐熱鎂合金WE54A具有更好的高溫穩定性[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，這說明Mg-Gd合金是在鎂合金中最理想的可以通過熱處理析出[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效強化的功能，還可以形成高粘度作用且堆垛有序的強化相，這種結構限制了位錯在基面表面的滑移趨勢，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度，可塑性好以及在高溫下機械性能好的優點。Zhu等人[16]首次報道了Mg-6Gd-1 Zn-0.6Zr合金通過250 ℃時效處理后在基體內析出了γ＇和γ＂兩種強化相。圖2[17]列出一系列高強度鎂合金Mg-RE-Zn系列合金鑄造鎂合金的力學性能，其強化機制除了LPSO強化以外，還包括β＇、γ＇、γ＂及層錯強化。

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

2 制備工藝

在傳統工藝制備方法中，可通過鑄造或壓力成型制備鎂合金。由鑄造工藝制備的鎂合金，易產生有害雜質、成分不均勻、氣泡孔隙和裂縫等問題，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定，易產生內應力，應力集中等問題，嚴重影響到鎂合金的機械性能，且對模具類型、壓力、溫度等因素要求較高。近幾年高強鎂合金最為常見的制備工藝方法有粉末冶金法、快速凝固法、機械合金化和擠壓成型技術。

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，在特定溫度壓強條件下燒結成形，得到具有優異性能合金材料，此方法最早應用于金屬基復合材料的制備。粉末冶金法特點有[18]：①產品精度高、尺寸穩定、成本低、不需要二次加工；②可大批量生產，易形成自動化生產線；③可生產結構復雜的材料，可避免脫模困難等問題。鎂具有密排六方的晶體結構，晶粒尺寸直接影響其性能好壞，因此，制備細晶粒鎂合金可以大大提高鎂合金的性能。楊偉東[19]通過球磨粉末冶金法制備細晶AZ91鎂合金，并系統地研究了球磨機參數對合金的影響，發現隨著時間、轉速和球料比的增加，其合金粉末的粒徑急劇減小。陳春樸[20]通過粉末冶金法制備ZK60鎂合金，發現隨著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]通過粉末冶金法制備了AZ91鎂合金，并探究燒結溫度對該合金微觀組織和綜合性能的影響，其最佳燒結溫度為550 ℃，真空熱壓燒結后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普遍應用于機械制造、醫療設備、交通運輸及高強度金屬材料的制備，是最有發展前景的金屬復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)是材料科學領域具有突出地位的一種先進金屬材料制備新技術，通過該技術得到的材料具有超細晶粒度、低偏析度和良好穩定性等，并且溶質元素在基體中的固溶極限相對較大，成分相對均勻[23]。其制備過程[24]是通過極大的凝固速率(10～100 m/s)使液相迅速凝固成固相的一種非平衡凝固過程。其制備原理是將合金熔化并細化為分散的液滴，使得液體合金更易于散熱，提高熔體的凝固速度，從而達到細化凝固組織，減少或消除成分偏析的目的。陸皖皖[25]通過亞快速凝固法制備稀土鎂合金，并研究其組織的演變規律，發現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枝晶，另一種組織是向心生長的柱狀晶。鄭水云[26]通過快速凝固法制備Mg-4.8Zn-0.6Y合金，并對其微觀組織進行研究，發現其合金中Mg、Zn和Y的宏觀分布比較均勻，但其晶內存在偏析，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，再采用往復擠壓和普通正擠壓的工藝擠壓成型，最終得到高強度、高耐磨的鎂合金復合材料。梁世何[28]采用快速凝固法制備ZW60和ZW61合金，并對不同凝固條件下Mg-Zn-Y合金中微觀組織相進行研究，發現快速凝固條件下ZW60合金組織中的MgZn呈針狀，而在常規凝固和近平衡凝固條件下的MgZn分別呈層片狀和魚骨狀，且經快速凝固形成的合金顆粒尺寸約為80～300 nm。快速凝固技術的使用不僅可以改善傳統金屬材料的性能，還能開發現有材料的潛在性能，并能發現新的強化相，消除某些有害相，此方法有利于高強鎂合金的制備。

2.3 機械合金化技術

機械合金化技術(Mechanical Alloying，MA)是當今備受關注的一項材料制備新技術，該技術最先由美國INCO公司的Benjamin[29]于1960年在美國首先開發，目的是開發一種用于制造彌散強化合金的新材料加工技術[30]。直到1980年Yermokov[31]和Koch[32]等人相繼用機械合金化技術實現非晶化，機械合金化技術引起了各國材料科學工作者的廣泛關注，其非晶態研究和新材料開發的浪潮已在全球范圍內掀起。到目前為止，機械合金化技術仍廣泛應用于高性能結構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行混合，再通過機械能將粉末反復擠壓、冷焊和壓碎等，成為具有相對平均尺寸的超細顆粒，并在固態狀態下合金化。沈平[34]采用機械合金化和粉末壓制燒結法制備了Mg-XZr合金，經研究發現，合金阻尼性能隨Zr含量的增強先增加后降低再增強，合金力學性能隨Zr含量的增加先增強后降低。陳秀娟等人[35]通過機械合金化技術制備Ti-Mg系合金，改變其合金質量配比能夠實現Ti與Mg之間最大固溶化。王曉麗[36]利用機械合金化技術制備Mg-Cu系合金，發現此方法不僅能夠大幅度提高Mg在Cu中的固溶度，還能通過提高球磨轉速加快非晶化的形成過程。李澤敏[37]通過機械合金化技術制備Ti-Mg系合金，發現Ti的晶格常數變化率隨配料比的增加而增大，球磨時間越長，其粉末顆粒的平均晶粒尺寸越小，球磨達到一定時間后粉末顆粒的形態就會趨于穩定。目前機械合金技術已廣泛應用于非晶納米材料、超導材料、耐高溫材料等領域，對高強鎂合金材料的制備提供有利的途徑。

2.4 擠壓成型技術

擠壓成型技術(Extrusion Moulding，EM)是經過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細化基體晶粒與合金相，從而大幅度提升合金性能。郭強等人[38]通過擠壓成型技術鍛壓AZ80鎂合金，通過測試發現抗拉強度和力學性能都得到大幅度提升。陳彬等人[39]通過常規擠壓和等道角擠壓制備Mg97Y2Zn鎂合金，發現其晶粒尺寸越細，屈服強度和抗拉強度越高。幸侃[40]利用擠壓成型技術制備Mg-Zn-Y合金，發現擠壓后鎂合金比鑄態鎂合金抗拉強度高兩倍，保溫處理后其屈服強度有小幅度提升。王建民等人[41]通過擠壓成型技術制備新型合金，改變AZ91鎂合金中Zn和Al含量，采用傳統的熔煉技術與擠壓成型工藝相結合的方法可以制備出室溫抗拉強度超過300 MPa，伸長率達到10%左右的高強度高性能的鎂合金。李亞國等人[42]的研究表明：同淬火條件下相比，在擠壓狀態下獲得的MB26(Mg-Zn-Zr-RE)鎂合金力學性極好，其抗拉強度可達370 MPa以上。肖陽等人[43]經過鑄態擠壓后獲得的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr新型鎂合金強度高、耐熱、耐腐蝕和易焊接；并且該鎂合金的力學性能在不同溫度下都較好，尤其在抗拉強度方面性能極其優越。擠壓成型方法易于操作并且十分靈活，鎂合金可以通過擠壓更好地細化晶粒并提高強度和可塑性。而且鎂合金擠壓制品一般都具有較好的表面質量和精準的尺寸。擠壓變形是當今鎂合金加工中最廣泛的一種工藝。

3 展望

我國是鎂含量最多的國家之一，在鎂合金發展方面已取得重大發展，并逐步向鎂合金生產和研究大國這一角色轉移。對高強鎂合金深入研究表明，最為常見的是通過添加少量或微量的稀土元素來提高鎂合金的強度。除傳統的鍛造，擠壓或軋制等工藝外，超聲波熔體加工、注塑工藝、半固態成型工藝、快速凝固、粉末冶金、噴射沉積技術等新工藝也慢慢在高強鎂合金方面嘗試。現有工藝生產的鎂合金不僅規格小，成本高，而且塑性低、耐蝕性低。另外，如今還未開發出廣泛用于工業的新技術。因此，以較低的成本生產大型、高強度、良好的耐腐蝕性能的高強鎂合金將成為鎂合金研究工作的重點。