基于喷射沉积技术的新型镁合金制备研究

摘要：由于镁合金具有优良性能，它在航空、通讯、汽车等众多领域应用广泛。传统镁合金制造工艺对于制造条件要求较高，成品在科学研究中有很大的局限性。本文陈述了一种新的镁合金制备工艺，即采用喷射沉积技术加入碱土元素Ca和稀土元素Nd制备新型镁合金。新型镁合金可优化性能，加快科研进程。

关键词：喷射沉积；镁合金；热挤压

由于镁合金比强度高、弹性模量低、减震性能好、切削性能优良、质量轻、电磁屏蔽性能优良、回收率高、新型环保等优点，镁合金材料在汽车制造、航空航天、电子计算机、通讯卫星等领域的应用越来越受到重视[1]。我国矿藏镁资源丰富，自从我国国民经济战略性结构调整和西部大开发战略实施以来，我国镁工业的发展前景不可小觑，国家科技部已经把镁材料的开发应用列入高新技术发展计划[2]。镁合金正式成为继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，也是未来工业、商业共同开发研究的重要材料[2，3]。高性能镁合金的制备成为今后研究的热点及难点。

1 新型镁合金制备技术

（1）传统工艺的制备缺陷。

按照傳统工艺，可以通过铸造或压力成型获得镁合金。铸造工艺制备镁合金，由于铸模、铸造温度、冷却条件的交互影响，在制备过程中极易造成混入杂质、成分不均匀、气孔、开裂等各种问题。压力成型工艺获得镁合金，在制备过程中对模具、压力、温度等因素要求较高，性能不稳定。因此新型的镁合金制备工艺研究势在必行。

（2）新型金属喷射沉积技术。

金属喷射沉积技术简称喷射成型，又称喷射铸造或喷射沉积，在商业上通称为奥斯普瑞工艺[4]。该工艺产生于20世纪60年代，经过50余年的发展，现在是一种非常成熟的制备工艺，被广泛应用于铝合金、镁合金、铜合金等材料的制备，应用前景非常看好。

镁合金喷射沉积是美国在1987年首次进行研究完成的，之后法国、德国等也积极投入研究，并取得了显著成效。镁合金喷射沉积工艺主要分为雾化和沉积两个过程。不同金属的雾化效果不同，为了保证更好的雾化效果，必须进行合理的雾化参数设置。同时，沉积过程中控制沉积器的下降速度，调整雾化扫描间距、沉积器直径，可以根据实验需求制备相应尺寸的合金坯锭。

（3）镁合金热挤压处理。

对于喷射沉积制备而成的材料，在喷射沉积过程如果处理不当或者氮气压力不足等情况会使坯锭进入部分空气，在凝固的时候由于热胀冷缩不均匀也会产生一部分孔洞，而这些孔洞，极易造成成分和组织的不均匀性。为了改善沉积锭的这种不均匀性，保证其质量，在进行热加工之前往往需要对合金进行均匀化处理。

挤压技术是一种不需要切削的加工工艺，具有低消耗、快速、高效的特点，在工业制造、机械加工、建筑、航空、通讯、电子等行业应用广泛，是金属塑形加工的重要方法。尤其在铝合金、镁合金、铜合金的管、线等制造方面使用突出[3]。热挤压处理过的试样表面光洁度高，尺寸精度也较高，只需要经过精整处理就可使用。热挤压通常受挤压温度、挤压速度、挤压比、冷却速度等因素的影响。

2 喷射沉积工艺制备新型镁合金

（1）沉积坯的制备。

本文所用材料为Mg12.55Al3.33Zn型镁合金中加入少量Ca元素与Nd元素，使用英国引进的Osprey喷射沉积设备，采用氮气保护进行喷射。喷射室顶端的坩埚中用来熔化金属，一边熔化，一边注入氮气防止氧化，然后利用该设备制取镁合金锭。利用氮气氛围保护，不但降低了成本，还可以通过改进工艺参数提高材料的性能。

（2）热挤压成棒材。

由于固体与液体的凝固速度不一样，造成沉积坯内部有孔洞缺陷，需要进行后续加工消除组织缺陷，故采用热挤压方法对合金进行致密化处理。由于沉积坯成分不均匀，边缘部分缺陷多，心部组织成分相对稳定，所以取心部组织用来热挤压处理，然后进行试验观察组织及进行性能测试。在沉积坯中部距外表面20～60mm处取样进行挤压，制取直径为30mm的圆柱棒材。挤压参数如下表所示。

3 元素Ca和Nd在Mg12.55Al3.33Zn型镁合金中的作用

镁合金中加入碱土元素可以很好的改善其性能。而Ca元素由于资源丰富、价格便宜、性能优良等被广泛应用在镁合金制品中。Ca元素的加入对镁合金有抑制氮化的作用，也可以防止镁合金被氧化，降低其在空气的燃烧的概率。如果铸造镁合金中加入Ca元素，可以明显改善镁合金的品质，提高其性能。通常Ca的掺杂量不会太多，一般控制在0.3%以内。一旦Ca的加入量过大，会成为有害元素，加剧合金的开裂倾向，降低材料的强度和硬度。但是在镁合金喷射沉积制备过程中，合理的掌握好Ca的加入量，可以有效避免Al元素偏析，形成细小的Al2Ca相，起到细晶强化的作用[5]。另外Al2Ca相可以钉扎在晶界处，抑制晶粒长大，保持沉积相的微观组织形貌。

稀土元素由于其化学性质活泼，又能弥散分布在镁合金基体中，能有效避免H、O、S、Cl、Fe等杂质析出或者形成有害相[6]。另外稀土元素在镁合金中的固溶度较大，在热处理过程中均匀分布，部分钉扎在晶粒晶界处，能防止晶粒长大，起到固溶强化的作用。另外稀土元素还能防止合金被氧化，提高合金的耐蚀性和耐磨性，可以显著的提高镁合金的力学性能。稀土元素Nd的加入能明显提高镁合金熔体的流动性，降低微孔率，减轻疏松和热裂倾向提高耐热性。最重要的是可以改善其高温蠕变性能，减小再结晶倾向、晶粒长大以及阻止晶界迁移。

未来，镁工业的发展必须把镁资源综合利用和新型镁材料的开发结合起来，在镁原料生产、镁合金制备等方面确定重点科技公关课题，加快科研开发进程，其开发利用的水平高低对社会的发展有着重要意义。

参考文献：

[1] 吴国华，陈玉狮，丁文江.镁合金在航空航天领域研究应用现状与展望[J].载人航天，2016，22（3）：281292.

[2]丁文江.镁合金科学与技术[M].北京： 科学出版社，2007：365 371.

[3]“十五”国家科技攻关计划重大项目“镁合金开发应用及产业化”成果新闻发布会，科技部， 2002.12.20.

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

[5]程素玲，杨根仓，樊建锋，等.Ca，Y对AZ91镁合金显微组织和力学性能的影[J].稀有金属材料与工程，2006，35（9）：14001403.

[6]刘刚强，陈乐平，艾云龙.稀土 Nd对ZMS合金组织与性能影响的研究[J].特种铸造及有色合金，2005， 25（7）： 496498.

作者简介：王营霞（1986），女，汉族，河南濮阳人，硕士，助理工程师，现在西安工业大学国有资产管理处工作，研究方向为设备管理。