高强镁合金的制备及研究进展综述

王小兰，李秀兰，洪小龙，王 斌，周立玉，王 宣

(四川轻化工大学机械工程学院，四川 宜宾 644000)

当前实用金属材料中最轻的是镁合金，它有“21世纪绿色工程材料”的美称。镁合金具有比强度高、弹性模量大、散热好、减震性好、承受冲击载荷能力强等优点。镁合金在某些特定环境下可以代替塑料、铝合金和钢制零件，是交通运输行业、航空航天、通讯电子等领域不可或缺的金属材料之一[1-4]。但是，镁合金室温塑性差、耐腐蚀性能差，这在一定程度上限制了它的应用。因此，对于高强镁合金的研究与制备就显得尤为重要[5-7]。目前，高强度镁合金的强化工艺有大塑性变形、合金强化、热处理等[8]，高强镁合金能够有效地解决镁合金存在的普遍问题。本文详细介绍了镁合金的分类与性能，综述了高强镁合金的制备工艺与应用现状，并展望了高强镁合金的应用前景。

1 镁合金

1.1 根据加工工艺分类

变形镁合金由轧制、挤压等塑性变形所制备，主要有Mg-Mn系、Mg-Zn-Zr系和Mg-Al-Zn-Mn系合金。其中Mg-Mn系合金耐腐蚀，焊接性好，但工作温度不超过150 ℃；Mg-Zn-Zr系合金焊接性能较为优异；Mg-Al-Zn-Mn系合金具有优异的机械性能和可焊性。变形镁合金晶粒尺寸较小，有良好的力学性能。铸造镁合金由砂模铸造、金属模铸造、熔模铸造制备，主要有Mg-Al系和Mg-RE系合金[9]，铸造镁合金具有铸造结构优异、加工周期短、装配成本低、适用于大批量生产等特点。

1.2 根据是否加入RE分类

1.2.1 常规镁合金

常规镁合金可分为Mg-Al系和Mg-Zn合金。Mg-Al系合金使用最为广泛，包括AZ系列、AM系列、AS系列和AE系列，其中AZ系合金(Mg-Al-Zn)屈服强度高；AM 系合金(Mg-Al-Mn)具有优良的韧性和铸造性能；AS系合金(Mg-Al-Si)在高温下具有出色的蠕变性能；AE系合金(Mg-Al-RE)耐蚀性强。Mg-Zn系列合金是最具有发展前景的耐热镁合金，它具有强大的时效强化能力和出色的高温机械性能，承载能力强，铸造成本低。表1是Mg-Zn系典型镁合金的力学性能[10]。

表1 Mg-Zn系典型镁合金的力学性能[10]

1.2.2 稀土镁合金

传统镁合金高温强度和耐热性能始终没能达到理想要求，而且工作温度不能超过125 ℃，在航空航天、汽车等动力系统的高温环境中很难适用。稀土元素具有很好的脱氧和脱水作用，降低了孔隙和氧化物的产生。稀土元素主要是在合金中形成性能优异的稀土化合物和固溶相，这些化合物或固溶相在晶界处偏析导致位错密度增加，晶格发生畸变。适量的稀土元素可以改善合金的流动性、高温蠕变性、耐腐蚀性能和拉伸性能，并减少收缩和热裂的趋势，特别是对于铸造镁合金[11]。

(1)Mg-Y系

稀土Y在Mg中的最大固溶度为12.7%，时效强化强度更高。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) ，其适应工作环境最高可达300 ℃，高温环境下仍能保持优异的强度，经过热处理后的耐腐蚀性能相比其他高温镁合金的耐腐蚀性能更高[12]。此外，Mordike[13]的研究发现，掺有Sc和Mn的Mg-4Y-1Sc-1Mn合金比WE43(T6)合金具有更好的抗蠕变性。

(2)Mg-Gd系

Mg与Gd容易在高温下发生反应生成Mg3Gd化合物，Mg3Gd具有高热稳定性，能够提高镁合金耐热性，是镁合金系中可以进行充分热处理和沉淀强化的典型Mg-Gd系镁合金。Rokhlin和Kamado通过研究发现，该系列合金比常规的耐热镁合金WE54A具有更好的高温稳定性[14]。如图1所示，稀土Gd在Mg中最大固溶度为23.5 %，其固溶度随温度的升高缓慢增加，这说明Mg-Gd合金是在镁合金中最理想的可以通过热处理析出[15]。

图1 Mg-Gd合金二元相图[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时效强化的功能，还可以形成高粘度作用且堆垛有序的强化相，这种结构限制了位错在基面表面的滑移趋势，同样也限制其在277～327 ℃的高温下非基面的滑移，这有助于提高合金耐热性。该系列镁合金具有高强度，可塑性好以及在高温下机械性能好的优点。Zhu等人[16]首次报道了Mg-6Gd-1 Zn-0.6Zr合金通过250 ℃时效处理后在基体内析出了γ＇和γ＂两种强化相。图2[17]列出一系列高强度镁合金Mg-RE-Zn系列合金铸造镁合金的力学性能，其强化机制除了LPSO强化以外，还包括β＇、γ＇、γ＂及层错强化。

图2 Mg-RE-Zn系列合金铸造镁合金的力学性能[17]Figure.2 Mg-RE-Zn series alloy casting magnesium alloy mechanical properties[17]

2 制备工艺

在传统工艺制备方法中，可通过铸造或压力成型制备镁合金。由铸造工艺制备的镁合金，易产生有害杂质、成分不均匀、气泡孔隙和裂缝等问题，这主要受制于铸模形状、铸造温度和冷却条件等因素。由压力成型工艺制备镁合金性能不稳定，易产生内应力，应力集中等问题，严重影响到镁合金的机械性能，且对模具类型、压力、温度等因素要求较高。近几年高强镁合金最为常见的制备工艺方法有粉末冶金法、快速凝固法、机械合金化和挤压成型技术。

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法(Powder Metallurgy，PM)是将原材料粉末按照一定比例混合均匀，在特定温度压强条件下烧结成形，得到具有优异性能合金材料，此方法最早应用于金属基复合材料的制备。粉末冶金法特点有[18]：①产品精度高、尺寸稳定、成本低、不需要二次加工；②可大批量生产，易形成自动化生产线；③可生产结构复杂的材料，可避免脱模困难等问题。镁具有密排六方的晶体结构，晶粒尺寸直接影响其性能好坏，因此，制备细晶粒镁合金可以大大提高镁合金的性能。杨伟东[19]通过球磨粉末冶金法制备细晶AZ91镁合金，并系统地研究了球磨机参数对合金的影响，发现随着时间、转速和球料比的增加，其合金粉末的粒径急剧减小。陈春朴[20]通过粉末冶金法制备ZK60镁合金，发现随着Y含量的增加，ZK60镁合金的高温塑性也随之提高。周亚军等人[21]通过粉末冶金法制备了AZ91镁合金，并探究烧结温度对该合金微观组织和综合性能的影响，其最佳烧结温度为550 ℃，真空热压烧结后AZ91镁合金材料的致密度显著提高，其组织主要由α-Mg相和β-Mg17Al12相组成，可大大提高其合金的性能。如今粉末冶金法已经普遍应用于机械制造、医疗设备、交通运输及高强度金属材料的制备，是最有发展前景的金属复合材料制备工艺之一[22]。

2.2 快速凝固法

快速凝固法(Rapid Solidification，RS)是材料科学领域具有突出地位的一种先进金属材料制备新技术，通过该技术得到的材料具有超细晶粒度、低偏析度和良好稳定性等，并且溶质元素在基体中的固溶极限相对较大，成分相对均匀[23]。其制备过程[24]是通过极大的凝固速率(10～100 m/s)使液相迅速凝固成固相的一种非平衡凝固过程。其制备原理是将合金熔化并细化为分散的液滴，使得液体合金更易于散热，提高熔体的凝固速度，从而达到细化凝固组织，减少或消除成分偏析的目的。陆皖皖[25]通过亚快速凝固法制备稀土镁合金，并研究其组织的演变规律，发现亚快速凝固得到两种典型组织，一种组织是类似花瓣或松针状的树枝晶，另一种组织是向心生长的柱状晶。郑水云[26]通过快速凝固法制备Mg-4.8Zn-0.6Y合金，并对其微观组织进行研究，发现其合金中Mg、Zn和Y的宏观分布比较均匀，但其晶内存在偏析，凝固速度的差异及铸造组织的遗传性是造成偏析形成的主要原因。徐春杰等人[27]采用快速凝固法制备镁合金，将其与SiCP颗粒先一起球磨，再采用往复挤压和普通正挤压的工艺挤压成型，最终得到高强度、高耐磨的镁合金复合材料。梁世何[28]采用快速凝固法制备ZW60和ZW61合金，并对不同凝固条件下Mg-Zn-Y合金中微观组织相进行研究，发现快速凝固条件下ZW60合金组织中的MgZn呈针状，而在常规凝固和近平衡凝固条件下的MgZn分别呈层片状和鱼骨状，且经快速凝固形成的合金颗粒尺寸约为80～300 nm。快速凝固技术的使用不仅可以改善传统金属材料的性能，还能开发现有材料的潜在性能，并能发现新的强化相，消除某些有害相，此方法有利于高强镁合金的制备。

2.3 机械合金化技术

机械合金化技术(Mechanical Alloying，MA)是当今备受关注的一项材料制备新技术，该技术最先由美国INCO公司的Benjamin[29]于1960年在美国首先开发，目的是开发一种用于制造弥散强化合金的新材料加工技术[30]。直到1980年Yermokov[31]和Koch[32]等人相继用机械合金化技术实现非晶化，机械合金化技术引起了各国材料科学工作者的广泛关注，其非晶态研究和新材料开发的浪潮已在全球范围内掀起。到目前为止，机械合金化技术仍广泛应用于高性能结构材料和新型功能材料的制备。其基本原理[33]就是将要用于制备的金属粉末按合适的配比进行混合，再通过机械能将粉末反复挤压、冷焊和压碎等，成为具有相对平均尺寸的超细颗粒，并在固态状态下合金化。沈平[34]采用机械合金化和粉末压制烧结法制备了Mg-XZr合金，经研究发现，合金阻尼性能随Zr含量的增强先增加后降低再增强，合金力学性能随Zr含量的增加先增强后降低。陈秀娟等人[35]通过机械合金化技术制备Ti-Mg系合金，改变其合金质量配比能够实现Ti与Mg之间最大固溶化。王晓丽[36]利用机械合金化技术制备Mg-Cu系合金，发现此方法不仅能够大幅度提高Mg在Cu中的固溶度，还能通过提高球磨转速加快非晶化的形成过程。李泽敏[37]通过机械合金化技术制备Ti-Mg系合金，发现Ti的晶格常数变化率随配料比的增加而增大，球磨时间越长，其粉末颗粒的平均晶粒尺寸越小，球磨达到一定时间后粉末颗粒的形态就会趋于稳定。目前机械合金技术已广泛应用于非晶纳米材料、超导材料、耐高温材料等领域，对高强镁合金材料的制备提供有利的途径。

2.4 挤压成型技术

挤压成型技术(Extrusion Moulding，EM)是经过压力或推力使镁合金在模具型腔压制成型的方法，挤压成型后可以同时细化基体晶粒与合金相，从而大幅度提升合金性能。郭强等人[38]通过挤压成型技术锻压AZ80镁合金，通过测试发现抗拉强度和力学性能都得到大幅度提升。陈彬等人[39]通过常规挤压和等道角挤压制备Mg97Y2Zn镁合金，发现其晶粒尺寸越细，屈服强度和抗拉强度越高。幸侃[40]利用挤压成型技术制备Mg-Zn-Y合金，发现挤压后镁合金比铸态镁合金抗拉强度高两倍，保温处理后其屈服强度有小幅度提升。王建民等人[41]通过挤压成型技术制备新型合金，改变AZ91镁合金中Zn和Al含量，采用传统的熔炼技术与挤压成型工艺相结合的方法可以制备出室温抗拉强度超过300 MPa，伸长率达到10%左右的高强度高性能的镁合金。李亚国等人[42]的研究表明：同淬火条件下相比，在挤压状态下获得的MB26(Mg-Zn-Zr-RE)镁合金力学性极好，其抗拉强度可达370 MPa以上。肖阳等人[43]经过铸态挤压后获得的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr新型镁合金强度高、耐热、耐腐蚀和易焊接；并且该镁合金的力学性能在不同温度下都较好，尤其在抗拉强度方面性能极其优越。挤压成型方法易于操作并且十分灵活，镁合金可以通过挤压更好地细化晶粒并提高强度和可塑性。而且镁合金挤压制品一般都具有较好的表面质量和精准的尺寸。挤压变形是当今镁合金加工中最广泛的一种工艺。

3 展望

我国是镁含量最多的国家之一，在镁合金发展方面已取得重大发展，并逐步向镁合金生产和研究大国这一角色转移。对高强镁合金深入研究表明，最为常见的是通过添加少量或微量的稀土元素来提高镁合金的强度。除传统的锻造，挤压或轧制等工艺外，超声波熔体加工、注塑工艺、半固态成型工艺、快速凝固、粉末冶金、喷射沉积技术等新工艺也慢慢在高强镁合金方面尝试。现有工艺生产的镁合金不仅规格小，成本高，而且塑性低、耐蚀性低。另外，如今还未开发出广泛用于工业的新技术。因此，以较低的成本生产大型、高强度、良好的耐腐蚀性能的高强镁合金将成为镁合金研究工作的重点。