鎂合金的強(qiáng)韌化研究新進(jìn)展

李士杰

（華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063210）

鎂及鎂合金是迄今在工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，能更好的滿足人們對材料的要求。鎂合金材料的高抗沖擊能力，優(yōu)良的切削性能，優(yōu)異的切削性能，高比強(qiáng)度和比剛度以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，使其比其他的金屬材料具有更大的發(fā)展?jié)摿?。鎂合金材料能夠更好的在數(shù)碼產(chǎn)品、武器裝備、航天飛機(jī)以及治理環(huán)境污染等方面代替其他材料[1]。國外的許多國家已經(jīng)開始加快研究高性能鎂合金的進(jìn)程。

鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方，這也是影響鎂合金性能的重要因素。目前，鎂合金根據(jù)合金化元素主要形成了添加Zn 的AZ 系列、添加Mn 的AM 系列、添加RE 的AE 系列、添加Zn 和Zr 的ZK 系列等。以傳統(tǒng)的三種強(qiáng)化方式（細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及析出強(qiáng)化等）為基礎(chǔ)，逐步形成添加合金元素、優(yōu)化熱處理工藝、細(xì)化晶粒等手段來提高鎂合金的綜合力學(xué)性能。以下主要對鎂合金的強(qiáng)韌化方式進(jìn)行闡述。

1 鎂合金的細(xì)晶強(qiáng)化

鎂合金和大部分結(jié)構(gòu)金屬材料類似，可以通過細(xì)化晶粒尺寸來提高鎂合金的力學(xué)性能。鎂合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系可用著名的霍爾-公式表示：，式中：代表單晶屈服強(qiáng)度，d 代表平均晶粒尺寸，K 代表霍爾-佩奇系數(shù)，只與材料種類有關(guān)。對于鎂合金，K 的取值一般在280 至320 之間，比鋁合金的K 值（68MPa·m 左右）大得多[2]。由此可見細(xì)晶強(qiáng)化能夠很大幅度的提高鎂合金的力學(xué)性能。目前，經(jīng)鎂合金晶粒細(xì)化的主要工藝有：①大擠壓比熱擠壓、大變形鍛造鑄造合金；②ECAP 或扭轉(zhuǎn)應(yīng)變實(shí)現(xiàn)大塑性變形；③溫(冷)變形與動、靜態(tài)再結(jié)晶相結(jié)合；④快速凝固(RS)粉末的粉末冶金(PM)工藝；⑤機(jī)加工碎屑擠壓壓制；⑥機(jī)械合金化、非晶化等。

1.1 等通道擠壓

等通道擠壓是前蘇聯(lián)科學(xué)家 Segal 在1981 年提出的。該方法的工藝結(jié)構(gòu)是由沿長度方向截面保持不變的兩個相同的擠壓通道組成。這兩個加通道的截面形狀可根據(jù)需要來確定兩個加通道可采用一定的角度θ 來連接，一般情況下，90°=<θ<180°。在進(jìn)行等通道擠壓時坯料在壓力作用下，有一個擠壓通道進(jìn)入另一個擠壓通道，在經(jīng)過兩個通道的連接處時，坯料將產(chǎn)生純剪切變形，但其截面保持不變。由于等通道擠壓方法可以在不改變坯料截面尺寸的條件下，進(jìn)行純剪切變形，因此等通道擠壓過程可以反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，獲得巨大的總變形量。

另一方面，等徑角擠壓工藝可以細(xì)化鎂合金的晶粒尺寸，甚至可以達(dá)到納米尺度，形成納米材料。在擠壓變形過程中，小角度織構(gòu)在剪切力的作用下旋轉(zhuǎn)變形為具有較大晶界角的亞細(xì)晶粒，晶粒開始破碎。在下一次轉(zhuǎn)變中，細(xì)小等軸晶粒出現(xiàn)在原始晶界和亞晶細(xì)晶界之間。將此技術(shù)與適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囅嘟Y(jié)合，可大大提高變形鎂合金的力學(xué)性能。

1.2 半固態(tài)擠壓法

半固態(tài)擠壓工藝，顧名思義就是將半固態(tài)的坯料（固液共存狀態(tài)）裝入擠壓裝置進(jìn)行加工，使坯料流出并完全凝固，用這種工藝獲得的鎂合金材料斷面均一，性能優(yōu)異。由于材料在半固態(tài)（存在液態(tài)）狀態(tài)變形，坯料的變形抗力比全是固態(tài)時小很多，所以需要的及壓力也很?。s為普通熱擠壓的20%～25%），這樣就可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)擠壓比，使產(chǎn)品獲得較高的密度。

半固態(tài)形成枝結(jié)晶球化的機(jī)理是在鎂合金的凝固過程中，枝晶臂受到流體的快速擴(kuò)散和溫度的變化，會產(chǎn)生熱震動并在根部產(chǎn)生應(yīng)力集中。另一方面，由于熱流的擾動，固相中溶質(zhì)含量較高的根部熔點(diǎn)會降低，這會促使枝晶臂的熔斷。進(jìn)一步演化就會產(chǎn)生球形結(jié)構(gòu)組織。近幾年，對粉末板擠出技術(shù)和噴射沉積成型技術(shù)進(jìn)行了深入研究，開發(fā)了各種合金的高品質(zhì)米合金管、棒、模具產(chǎn)品。

1.3 快速凝固

快速凝固技術(shù)指凝固速度比常規(guī)鑄造凝固速度大得多的凝固過程（如104～109K/s）。其基本原理是減少同時凝固的熔體積與熱計(jì)面積之比，減少熔體和導(dǎo)熱性良好的冷卻介質(zhì)的界面熱阻，并以傳導(dǎo)方式散熱。通過快速凝固技術(shù)得到的合金晶粒細(xì)小，微觀組織無偏析或少偏析的，形成與常規(guī)合金不同的組織和結(jié)構(gòu)特征。利用快速凝固技術(shù)可以使鎂合金晶粒細(xì)化，促進(jìn)細(xì)小彌散分布的沉淀相的形成，提高鎂合金的綜合力學(xué)性能。

快速凝固鎂合金產(chǎn)品通常是合金粉末，必須通過后續(xù)工藝的加工才能得到大塊的結(jié)構(gòu)材料。想要更好的保留原有的組織特征，需要進(jìn)一步優(yōu)化后續(xù)加工工藝?？焖倌碳夹g(shù)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化與發(fā)展，以降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)一體化生產(chǎn)?？焖倌碳夹g(shù)是研發(fā)新型鎂合金的理想方法，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1.4 變質(zhì)處理

1.4.1 FeC13法

FeCl3法是將鎂合金加熱到熔融狀態(tài)（750℃左右），然后再向其中加入細(xì)化鎂合金的晶粒。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和理論研究證明，在向熔融狀態(tài)下的鎂合金中加入無水FeCl3可以晶粒細(xì)化效果，可能是因?yàn)殍F元素與鎂合金中的鋁元素和錳元素形成Fe-Mn-Al化合物，以此作為結(jié)晶的晶核促進(jìn)結(jié)晶，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。該方法不僅能運(yùn)用于 Mg-Al 系合金，同樣也能適用于 Mg-Zn 系等合金。但這種細(xì)化晶粒的原理至今還沒有明確的說法，而且鐵元素含量的增加會降低鎂合金的耐腐蝕性能。因此，F(xiàn)eCl3法未能在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

1.4.2 碳質(zhì)孕育法

碳質(zhì)孕育法最成功的應(yīng)用是在Mg-Al 合金系中，向鎂合金熔體中加入含碳的化合物（如二氧化碳、碳酸鹽和乙炔等）進(jìn)而引入碳元素，以此來達(dá)到促進(jìn)形核細(xì)化晶粒的目的。由于該方法原料來源廣泛，操作溫度低，且細(xì)化效果穩(wěn)定，已成為 Mg-Al 類合金晶粒細(xì)化技術(shù)的重要手段。碳質(zhì)孕育法對含有鋁元素的鎂合金的細(xì)化作用更為明顯（一般認(rèn)為 Al 的含量應(yīng)大于1%），向鎂合金中加入的碳化物會在高溫時分解出碳原子，碳元素與鎂合金中的鋁元素生成大量的Al4C3物質(zhì)。Al4C3與鎂的晶格結(jié)構(gòu)十分相似，都屬于六方晶系。所以在凝固過程中，根據(jù)結(jié)晶共各理論，Al4C3能夠作為α-Mg異質(zhì)形核的基底，從而促進(jìn)鎂合金形核，細(xì)化了晶粒。雖然該方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在大量實(shí)驗(yàn)中，并沒有如期的在鎂合金中直接發(fā)現(xiàn) Al4C3顆粒，觀察到的是含有Al、C、O 三種元素形成的Al2CO 復(fù)合顆粒，該物質(zhì)并不會細(xì)化鎂合金晶粒。此外，常用的引入碳化物的物質(zhì)一般含有氯元素，在使用此方法生產(chǎn)時會產(chǎn)生大量的有毒氣體，污染環(huán)境。優(yōu)先開發(fā)新型的、環(huán)保的 C 質(zhì)細(xì)化劑，并量化C 質(zhì)細(xì)化劑細(xì)化Mg-Al系合金的工藝參數(shù)，如加入溫度、加入量、保溫時間等[3]。

1.4.3 添加合金元素

向鎂合金中添加合金元素進(jìn)行合金化，以此來改善鎂合金的組織，從而達(dá)到提高力學(xué)性能的目的，也是一種行之有效的辦法，不同的合金元素細(xì)化機(jī)理也不相同。在鎂合金的冷卻凝固過程中，合金中添加的堿土元素會在固體/液體界面富集，形成成分過冷區(qū)域。同時又存在著能量起伏，成分過冷區(qū)域內(nèi)的更多形狀的質(zhì)點(diǎn)被激活，晶粒得到細(xì)化。此外，由于堿土元素在鎂合金中的擴(kuò)散速率低，反應(yīng)生成的高穩(wěn)定相聚集于固/液的表層，阻礙了顆粒的生長，從而使鎂合金晶粒發(fā)生細(xì)化。

1.5 熱處理強(qiáng)化

熱處理過程會產(chǎn)生不同的效果。主要目的是提高材料的機(jī)械性能，消除殘余應(yīng)力，改善金屬的切削加工性。退火、固溶處理及時效處理都是對于鎂合金常用熱處理工藝，這些熱處理技術(shù)不僅能夠大幅度地提高鎂合金的力學(xué)性能，有時甚至還能夠大幅度地提高鑄造工件的穩(wěn)定性。然而，并非所有的熱處理技術(shù)都可以改善鎂合金的力學(xué)性能。這主要是由鎂合金中各種元素的溶解程度變化決定的。而且，不同種類型的鎂合金在其熱處理工藝上也存在著很大差別。

1.5.1 鎂合金固溶處理

將鎂合金材料經(jīng)過加熱至一定的溫度后保溫，過剩相就有機(jī)會充分地的溶解于固溶體中，然后用快冷的方式對其進(jìn)行冷卻，就有機(jī)會獲得過飽和的固溶體，該類處理方法變?yōu)楣倘芴幚怼９倘芴幚淼男Чǔ：图訜釡囟?、保溫時間和冷卻速度有關(guān)。加熱的溫度越高，合金元素溶解的就會越徹底，經(jīng)過后續(xù)的加工工藝所獲得的性能也就越好。加熱的溫度越高，保溫的時間就會變短，合金中的組織有可能來不及轉(zhuǎn)變，這樣就不適合就行后續(xù)的淬火處理。而且，溫度過高也會讓工件產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，破壞合金的性能。保溫后的冷卻處理一般采用水淬或油淬，這兩種冷卻方式所需時間短。冷卻時間過長會在基體中析出第二相，所獲得的材料的溶質(zhì)原子和空位的過飽和度就會降低，性能會有所降。根據(jù)鎂鋁合金二元相圖可知，為了得到最好的性能，淬火的溫度通?？刂圃?15℃到430℃之間比較合適。

1.5.2 鎂合金時效處理

將固溶處理后的合金放置在一定的溫度下，保持一定的時間，通過過飽和固溶體的洗脫和晶格沉淀使強(qiáng)度逐漸上升，這叫做時效。關(guān)于時效硬化過程的本質(zhì)，陸續(xù)提出了擴(kuò)散硬化理論、滑動干涉理論等各種時效理論。過飽和固溶體在時效時會析出第二相，彌散分布的、細(xì)小的析出相會對位錯產(chǎn)生強(qiáng)烈的釘扎作用，當(dāng)合金受到外力變形時，首先需要克服析出物對位錯的釘扎作用，這樣就需要更大力，從宏觀上看就是材料的強(qiáng)度和硬度得到顯著提。隨著析出相含量的不斷增加，鎂合金的強(qiáng)度和硬度也會越來越高。理想狀態(tài)是沉淀的顆粒很小，并且均勻地分布在基質(zhì)中。它們與晶體上的基質(zhì)相干，當(dāng)溫度升高時，它們不會生長或變粗。如果可以在可以進(jìn)行熱處理和強(qiáng)化的鋁合金中形成，則GP 區(qū)域中的原子團(tuán)簇會更好[4]。

2 結(jié)語

隨著能源和環(huán)保問題的加劇，對于高強(qiáng)度、質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)材料需求量也必定會越來越大，因此對鎂合金的研究也必然會得到越來越廣泛的關(guān)注。現(xiàn)在最重要的事情就是加快性能優(yōu)異鎂合金的研究進(jìn)程，尤其是通過變形來時鎂合金得到強(qiáng)韌化這一重要的方向。爭取通過我們的努力，早日使得鎂合金在工業(yè)制造當(dāng)中占有重要的、不可替代的地位，不斷滿足交通、航空、電子產(chǎn)品以及其他各個領(lǐng)域的需求。