镁合金从工艺到应用的发展研究现状

贾昌远，霍元明，何涛，杨万博，霍存龙，刘克然

（201620 上海 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

目前，航空航天、汽车运输等行业金属制品轻量化成为研究热点。镁合金是以镁为基体加入其他元素组成的合金，在实用金属中质量最轻[1]，且储量丰富[2]。镁合金在轻量化方面有极大优势，备受关注。镁合金具有比强度高、热成形性好、切削性和生物相容性好、阻尼减震性和电磁屏蔽性优良、可降解等诸多优点，在金属制品减重方面很有潜力，在生物医疗方面也很受重视。

镁合金发展目前存在的主要问题：（1）由于镁固有的密排六方结构，使镁合金塑性成形能力较差，难以实现复杂零部件成形；（2）镁合金耐腐蚀性较差，极大限制了其在各领域的应用。如何提高镁合金的耐腐蚀性，值得深入研究。

1 镁合金分类

目前镁合金中主要包含的合金元素有铝（Al）、锌（Zn）、锰（Mn）、锆（Zr）等，此外还有稀土金属元素如铼（Re）等。在镁合金中加入的合金元素种类和含量不同，会对镁合金的性能产生较大影响。一般Zn 的含量不超过2%时，可提高镁合金铸件的抗蠕变能力；适量的Mn 元素可提高镁合金的耐热性、耐腐蚀性，在冶制过程中还能一定程度上除去有害元素Fe；适量的Al 元素能有效提升镁合金的铸造性能；适量稀土金属的加入一般可提高合金的流动性、减少缩松并细化合金晶粒度，提高强度和塑性。根据所加合金种类的不同，可将镁合金大致分为如下几个系列[3-4]：

（1）Mg-Al-Zn 系列。该系列合金是人们探索和应用最早的一类镁合金，不仅能用于铸造，还可用于变形加工。在该合金铸造成形时，Al 元素含量为7%～9%，当用于变形加工时，应保持Al 元素含量为3%～5%。

（2）Mg-Al-Mn 系列。在镁铝合金的基础上加入一定含量的Mn 不会对合金的机械性能产生较大影响，但会稍微降低合金塑性。加入1%～25%的Mn 会较大程度提高合金的抗应力腐蚀能力，显著提高合金的耐腐蚀性和焊接性能。

（3）Mg-Al-Re 系列。该系列合金形变加工性能优良，通过挤压可大幅提升铸态合金的强度和塑性，稀土元素Re 的加入能减小晶粒度，适当增加Al 的含量可明显改善合金的综合力学性能。

（4）Mg-Zn-Zr 系列。该系列合金中Zn 元素含量一般控制在6%左右，起到合金固溶强化和热处理强化作用。合金中的Zr 可以明显细化合金晶粒，改善合金强度、塑性和耐热性能，Zr 含量一般在0.5%～0.9%。常用于制造飞机、宇航飞行器中受力较大的结构部件。

（5）Mg-Zn-Re 系列。根据加入稀土金属Re元素含量的不同，合金整体会从固溶强化发展成第二相进行强化基体，Re 原子的加入使合金产生晶格畸变，阻碍组织内位错的移动或进行晶界强化。

2 镁合金的标记方法

为便于书写和沟通，国际上对镁合金的标记进行了规范。目前国际大多倾向于采用美国材料与试验协会(American Society for Testing Materials，ASTM）的标准来标记镁合金。根据ASTM 的相关标准，有如下标记规范：第1 部分由2 个英文字母组成，标记合金中主要元素，含量高的位于首位，如果2 个元素含量相同，则需按照字母顺序排列。镁合金中涉及的元素代号见表1；第2 部分由数字组成，用来指明合金中主要元素的质量分数，按四舍五入原则取整；第3 部分由英文字母组成，表示合金纯度，用来区分一些具有相同名称、但具体组成元素不同或组分相同但元素含量有细微差别的不同合金[5-6]。例如AZ31B 表示主要合金元素为Al和Zn，其含量分别为3%和1%，最后的英文字母B 表示AZ31B 含3%Al 和1%Zn 合金系列的第2 位。

表1 镁合金中元素代号[4]Tab.1 Element codes in magnesium alloy

3 镁合金的成形工艺和强化机制

镁合金虽然有比强度高、可高速切削[7]、生物相容性等诸多优点，但是目前所能得到的镁合金仍然存在切削易燃烧[8]、高温易氧化等[2]问题，如何能制备出符合各行业标准的优质镁合金仍需要深入研究。镁合金的质量一般取决于元素的种类、含量以及加工工艺，本文从镁合金的制造工艺、表里强化机制以及切削工艺几个方面对镁合金的发展状况做相关综述。

3.1 成形工艺

根据镁合金自身组成元素的物理特性以及目标构件的形状、大小和使用场合，一般采用以下3种不同的成形工艺：

（1）重力铸造：利用熔融镁合金自身重力铸造构件，操作方法包括：金属模铸造、半金属模铸造、壳型铸造、熔模铸造和砂型铸造等。其中，砂型铸造成本低，但操作相对繁琐，适用于大铸件的小批量生产。

（2）压力铸造：利用一定压力帮助合金熔体充满型腔，并完成铸造过程。镁合金铸件的工艺流程如图1 所示。

图1 镁合金压铸工艺流程Fig.1 Magnesium alloy die casting process

根据压力大小可分为高压铸造和低压铸造。高压铸造是将液态或半固态镁合金熔体以高速挤压进型腔中并凝固成形，该方法所得合金尺寸较精确，轮廓清晰；低压铸造是利用较低压力对合金熔体进行升液并平稳充型，使其顺序凝固结壳，然后再保压结晶，最后卸压得到铸件，该方法也能得到较优质的合金铸件。在压铸工艺的凝固环节，如果提高冷却速度，会显著细化晶粒并提高铸件的抗拉强度和伸长率[9-11]。镁合金的低熔点性（纯镁约为650 ℃）、快凝固性、低合金液粘度以及良好的流动性使其比较适用于压力铸造。目前常使用真空压铸、半固态压铸和充氧压铸方式来进行镁合金的压力铸造[12-13]。

（3）半固态成形：利用周波感应加热方式将镁合金加热至固、液共存状态，然后直接进行材料成形。与液态成形相比，具有成形温度低、模具寿命长、降低缺陷、致密性较高等优点。该种技术兼备铸造和固态塑性成形的优点，成形温度低于液态、变形抗力小于固态，所得合金构件精度较高，目前在一些镁合金汽车零件、航空航天工业仪器仪表中已有使用[14]。

3.2 强化机制

由上述3 种方法得到的镁合金有时不能达到使用标准，此时还可对其进行塑性加工或热处理等方式提高其综合力学性能[15]。根据作用部位不同，本文将其分类为内部强化和表面强化2 种方式。

3.2.1 内部强化

为达到细化晶粒、提高综合力学性能的目的，通常对铸态镁合金进行轧制、挤压、锻造等塑性加工。由于基体镁的晶格类型属于密排六方结构，其组成合金一般也是密排六方结构的畸变结果，滑移系少，塑性变形能力较弱，故镁合金常使用轧制工艺，考虑到镁合金冷变形能力差，一般采用热轧或温轧。镁合金管材的三辊纵连轧工艺几何模型如图2 所示。轧制温度取决于合金元素种类及含量，一般低于合金固相线以下55 ℃左右，适当的温度和应变速率能细化晶粒、降低变形抗力和提高加工效率[16]。

图2 三辊纵连轧工艺几何模型[17]Fig.2 Three-roll longitudinal tandem rolling process geometry model

为提高合金强度和硬度，可加入适量合金元素造成一定的晶格畸变，即固溶强化。固溶强化效果由化学错配度和尺寸错配度以及溶质原子浓度决定，其中化学错配度由广义堆垛层错能（Stacking Fault Energy）的变化来衡量。由YASI 等[18]的第一性原理计算镁合金固溶强化效果，可由式（1）近似计算：

式中：M——泰勒因子，镁合金的泰勒因子一般为4.0～6.5；——基面（0001）上临界分切应力的增量；εb——应变；εSFE——晶胞间层错能；cs——溶质原子浓度。

第二相强化作用也能提高合金的强度，可分为2 类：（1）聚合分布型，即第二相和基体镁的晶粒尺寸属于同一个数量级，且都较粗大，此情况强化作用较弱；（2）弥散分布型，即第二相以较为细小的晶粒度均匀分布在基体镁中，对基体晶粒位错的移动起到阻碍作用，此时强化作用较明显，能显著提高合金强度[19]。

3.2.2 表面强化

目前关于镁合金表面强化处理有很多研究，根据强化原理不同，强化工艺可被分为物理强化和化学强化。

物理强化主要包括滚压强化[20]、喷丸强化[21]，但目前多采用滚压强化。该方法采用特制滚压工具，对镁合金构件施加压力并进行循环滚压处理，以改善金属表面组织结构和物理性质[22]，达到提高表面硬度、强度的目的。该方法具有无污染、成本低、效果好、效率高等优点。表面滚压模型如图3 所示。

图3 表面滚压示意[20]Fig.3 Schematic diagram of surface rolling

图3 中：v1——旋转速度；v2——滚压头轴向移动速度；TD——圆棒试样轴向方向；ND——圆棒试样表面的法线方向；SD——正交于TD和ND的方向。板材类镁合金表面喷丸强化工艺模型如图4 所示。

图4 喷丸强化工艺模型[21]Fig.4 Shot peening process model

化学强化是对合金进行阳极氧化成膜处理，将镁合金压铸件作为阳极，用槽体或不锈钢板等金属作阴极，在一些电解质溶液中外加电压并保持一定时间，从而使得阳极氧化成膜。该技术包括常规阳极氧化和等离子体微弧阳极氧化2 种方式。经该技术处理过的合金表面，耐蚀性、耐磨性和机械强度都有较大提升，有时可以省去涂装工艺。

经上述内部和表面强化处理后，在精加工时还需对镁合金切削，但镁合金在切削时常会出现切削燃烧问题。低温切削可避免燃烧问题，使用低温介质（如液态二氧化碳、液氮等）作为冷却剂喷入切削区域，降低切削区温度，还能降低工件的表面粗糙度、增大表面硬度和表面残余应力，也能增强镁合金的耐腐蚀性[4,22]，但该技术仍有待完善。

在镁合金使用时，为延长寿命，有专家从合金的粘塑性自洽本构模型出发，建立了镁合金的宏-微观力学模型，得出镁合金不同面内失效的主要原因[23]。此外，有学者提出可利用自修复功能技术来延长镁合金寿命，其原理与干电池类似。镁合金自修复示意图如图5 所示。

图5 镁合金自修复示意图Fig.5 Schematic diagram of magnesium alloy self-repair

4 镁合金的应用

4.1 航空航天领域

随着航空航天以及国防工业的迅速发展，我国对高性能轻质结构材料的需求量剧增，对航天材料的轻量化愈发重视。在满足各项性能的基础上，利用镁合金制作航天构件不仅节约资源，也有利于航天器的后续使用和延长使用寿命，此外也有利于保证宇宙飞船在返航过程的安全性。目前我国已经对航空航天领域制定了相应轻量化目标[13,19]。

4.2 轨道交通领域

材料轻量化对轨道交通行业的发展具有重要意义。李洪强[24]等人在轨道交通中转向架的减重方面用到了阻燃镁合金，但目前镁合金在该领域应用还未被推广，主要由于一些关键技术还未被突破，还需要一段时间对其进行反复检验，保证满足各方面的要求。

4.3 汽车工业

镁合金能使汽车达到轻量化目标，提高减震效果，在汽车减重领域备受青睐。可用于制作汽车轮毂[25]、变速箱箱体、气缸盖罩盖、方向盘和转向支架等[26]，减少自重，降低油耗，保护环境。由镁合金材料压铸制造的轮毂如图6 所示。但镁合金耐腐蚀性差且易燃，还没有被广泛采用。

图6 镁合金压铸轮毂Fig.6 Magnesium alloy die-cast wheels

4.4 医疗领域

镁合金生物相容性好，可降解且接近人体骨密度，可用于医疗。但只有部分镁合金适用于医疗领域，且形成合金之后各项性能也会有所变化[27]。镁元素能促进人体对钙离子的吸收，从而加速骨组织的增长和伤口的愈合，缩短患者治疗周期。

4.5 军事领域

镁合金应用在军事装备方面能减轻军事器材质量、增强部队机动性和战斗力。可应用在军事枪械的机匣、枪托体、瞄准装置等部位，如图7 所示。也可应用在装甲车辆的轮毂、座椅骨架和变速箱箱体等部位以及火炮及弹药的牵引装置、供弹箱和炮长镜等部位[3]。

图7 步枪上可采用镁合金部位Fig.7 Parts on rifle where magnesium alloy can be used

4.6 电子产品领域

镁合金具有质量轻、无磁性、吸震性好等优点，在电子产品领域很有前景。由于以笔记本电脑、移动电话和数码相机为代表的3C（Computer，Communication，Consumption）产品一直向着轻、薄、小方向发展，镁合金愈加脱颖而出。镁合金电子产品不仅拥有极佳的外观和触感，而且具有良好的导热性和刚性，最薄的3C 产品外壳的厚度仅为0.4 mm。

4.7 其他领域

镁合金在汽油和润滑油中较稳定，可以用来制造油管和齿轮机匣等零部件[28]。

5 结束语

镁合金由于具有密度小、比强度高、生物相容性好等诸多优点，能达到比其他金属或塑料材料更优质的效果，应用前景广阔。同时也应重视镁合金制造和使用过程中存在的问题，例如与镁形成合金的一些稀土金属价格昂贵，难以商业化；镁合金在使用过程中易腐蚀；进行切削加工时容易燃烧。以上问题限制了镁合金的发展，需要相关科研工作者进一步探究和解决。