耐熱鎂合金材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

鄭 偉，柳葉芳，業(yè) 飛，陳 雪，展衛(wèi)星

（1.江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210007；2.鹽城市聯(lián)鑫鋼鐵有限公司，江蘇 鹽城 224100）

鎂合金是當(dāng)前是工程建設(shè)中使用最為廣泛的輕金屬材料，有“綠色工程材料”的美譽(yù)，是當(dāng)下材料開發(fā)與應(yīng)用方面的重點研究方向。現(xiàn)階段，我國鎂合金材料的開發(fā)、加工和應(yīng)用處于鼎盛時期。從世界鎂合金研究的觀點來看，有以下的研究趨勢：以追求輕量化的鎂合金室溫比(強(qiáng)度)為研究目標(biāo)，追求高彈性、高強(qiáng)度粒子和短纖維增強(qiáng)鎂合金為基礎(chǔ)，追求高溫性能耐熱鎂合金系列的研究開發(fā)。本論文分析了耐熱鎂合金的研究現(xiàn)狀，概述了鎂合金材料的開發(fā)潛力，另外也闡明了合金元素在材料開發(fā)中的用途和耐熱鎂合金材料的延展變形，以及優(yōu)質(zhì)耐熱鎂合金材料的實際應(yīng)用價值。

1 耐熱鎂合金材料設(shè)計原理

耐熱性主要是指材料在高溫和負(fù)荷下能夠承受形變和壓力的程度。合金材料在高溫下變形的分子機(jī)制主要是滑動效應(yīng)，這會帶來顯著的形變，形變程度可達(dá)到40%-50%。與其他材料相比，純鎂六角晶格的特殊結(jié)構(gòu)使其在室溫下也會因高應(yīng)力而產(chǎn)生形變，因此鎂合金材料比鋁合金材料更容易發(fā)生晶界滑移現(xiàn)象。鎂合金(AZ系列、AM系列)是目前廣泛商用的鎂合金材料類型。這一類鎂合金材料對高溫的承受能力較差，這是因為AZ系和AM系鎂合金的時效析出相為Mg17Al12，而正常條件下90%以上的Mg17Al12都呈現(xiàn)出條狀結(jié)構(gòu)，析出物和鎂基體的表面平行，二者之間沒有連接結(jié)構(gòu)的，因此不能夠抵擋晶界滑移效應(yīng)，時效硬化作用較微弱。Mg17Al12具有437℃的低熔點，在低溫下是軟相。另外，最近的研究結(jié)果表明，Mg17Al12在過飽和Mg基體的結(jié)晶界中析出是不連續(xù)的，這是導(dǎo)致AZ及AM系列鎂合金材料高溫下變形能力減弱的主要原因之一。晶界面中不連續(xù)析出的Mg17Al12條狀結(jié)構(gòu)和晶界幾乎呈直角關(guān)系，因此晶界的滑移面積進(jìn)一步增大，而且相鄰晶格中的自由晶粒增加，使晶格更容易變形，從而導(dǎo)致晶界滑移的發(fā)生率增加，有損合金材料的耐形變能力。

從合金材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，合金材料滑移反映的限制和晶界結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)應(yīng)受到相應(yīng)的重視，因此耐熱鎂合金材料的開發(fā)應(yīng)以限制晶界滑移效應(yīng)和增強(qiáng)晶界為切入點，通過以下技術(shù)手段對鎂合金材料的耐熱性能和高溫下的變形性能進(jìn)行改進(jìn)：①在原有材料結(jié)構(gòu)中引入熱穩(wěn)定性較強(qiáng)的第二相，如可形成金屬材料之間穩(wěn)定化合物的合金元素以及彌散強(qiáng)化的合金元素；②通過適當(dāng)?shù)暮辖鸹瘉硪种坪辖鹪卦阪V基體中的轉(zhuǎn)移速率；③以微合金化效應(yīng)來增強(qiáng)合金材料的晶界結(jié)構(gòu)。

2 耐熱鎂合金的研究現(xiàn)狀

2.1 稀土系列鎂合金

稀土類元素集中在第3副族，其結(jié)構(gòu)特點為原子最外層的電子構(gòu)成是一樣的，都只有兩個電子。次外層的電子結(jié)構(gòu)也較為相似，而倒數(shù)第三層4f軌道有所差異，該層上不同元素的電子數(shù)量是不同的。與其他族的元素相比，稀土元素的原子半徑更大，因此更輕易在6s外層丟失2個電子、在5d次外層丟失1個電子，或在4f層丟失1個電子，從而容易形成三價離子。部分兩價或四價稀土元素也具有非常具有較高的化學(xué)活性，和O、S和其他元素的結(jié)合能力很強(qiáng)，所以能在熔融時凈化合金材料的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)合金材料在常溫及高溫條件下的使用性能，提高合金材料在冶金工藝中的耐用性以及市場應(yīng)用中的適用性。

大部分稀土類元素與鎂元素的原子結(jié)構(gòu)較為相似，在鎂基體中的固溶度大，可以實現(xiàn)固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。稀土類元素能夠降低合金材料晶界的擴(kuò)散和滲透效應(yīng)，從而減緩元素晶界的聚集，有效抑制了晶界滑移現(xiàn)象，從而提升了鎂合金的耐高溫性能。同時，稀土類元素還可以減少金屬表面氧化物的濃度，抑制金屬的氧化反應(yīng)，賦予合金卓越的高溫抗氧化性能。稀土元素在合金材料中析出的順序：170℃～200℃，形成六邊形的β''相，這個相是超晶格結(jié)構(gòu)；在200℃～250℃形成體心正交β'相；300℃時在粒內(nèi)和粒界不均勻分布的平衡面心立方β相析出相。由于具有分散且熱穩(wěn)定的粒子相，所以鎂合金具有良好的耐熱性。

2.2 Si、Ca系列鎂合金

Ca售價低廉，熔點不高，同體積下的密度(約1550Kg/m3)也與鎂比較類似，很適合作為鎂合金的添加元素，因此受到極大關(guān)注。80年代以后，為了提高鎂合金材料的機(jī)械性能，國外使用Ca作為鎂合金添加劑，并根據(jù)鎂合金的高溫拉伸強(qiáng)度和吸附特性開發(fā)出了ACX系列鎂合金，如加拿大研究的AC51(Mg-5Al-0.8Ca)等鎂合金、美國研究的ZAC8506(Mg-8%Zn-5%Al-0.6%Ca)，都具有優(yōu)異的延展性能和吸附特性。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在鎂合金材料中引入Ca元素不僅能夠提高鎂合金的抗氧化性和熔點，還可以改善合金材料的鑄造結(jié)構(gòu)，優(yōu)化室溫下的機(jī)械特性。添加了Ca后，Al及Ca含量的質(zhì)量比大于0.8時，合金的硬度明顯增加，且晶界具有很高的熱穩(wěn)定性，對高溫變形中的晶界滑移現(xiàn)象有極為顯著的抑制能力，極大地提升了合金材料的耐高溫性能。

Ca可以大幅改善合金的高溫特性，但如果Ca元素添加過多，就會導(dǎo)致合金材料的強(qiáng)度降低。針對這一問題，可以采取多元素引入來加以解決，如Ca、Si或Ca、RE的化合物添加可以顯著優(yōu)化合金材料在室溫和高溫下的機(jī)械特性，從而在不損害原有合金材料特性的基礎(chǔ)上大幅提高合金的高溫抗變形性。另外，在AS系列鎂合金中添加少量的Ca元素也能夠細(xì)化Mg2Si相的結(jié)構(gòu)，改善合金材料的機(jī)械特性和流動性能。

2.3 Sr等系列鎂合金

稀土類耐熱鎂合金的性能優(yōu)越，但開發(fā)加工的成本過高，Ca、Si類耐熱鎂合金雖然成本較低，但在鑄造工藝中的機(jī)械性能略差。Sr和Ca同為堿土元素，化學(xué)性質(zhì)也相同，因此Sr能否與Mg合金化，開發(fā)出集耐熱性、壓鑄性能、低成本等優(yōu)良特性于一體的新型鎂合金材料一直以來都被研究人員廣為關(guān)注。研究表明，在Mg–4Al合金中加入適量的Ca和Sr，可以大幅改善合金材料的物理結(jié)構(gòu)，室溫下的延展性能能夠達(dá)到170N/mm2，175℃溫度下的綜合性能也明顯優(yōu)于Mg–4Al合金。

3 耐熱鎂合金的應(yīng)用趨勢

3.1 適應(yīng)航空航天、軍事國防等領(lǐng)域的需要

即便稀土類鎂合金材料造價高昂，但對于航空航天、軍事、國防等尖端領(lǐng)域而言，該類型鎂合金的開發(fā)已經(jīng)不受稀土、鋯及其他化學(xué)元素的生產(chǎn)加工成本的制約。因此在高科技領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)更多的以強(qiáng)度、耐熱性、耐腐蝕性等高性能為重點，充分發(fā)揮稀土資源的加工潛力，不斷革新鎂合金的鑄造工藝，開發(fā)機(jī)械性能優(yōu)越的新型耐熱鎂合金。我國有著大量的稀土資源，儲量占世界已探明總量的80%以上。稀土資源的應(yīng)用途徑和開發(fā)方式對于合理利用稀土資源極為關(guān)鍵。中國在耐熱鎂合金研究開發(fā)方面一度領(lǐng)先于世界，但自1980年以后，還沒有劃時代的新材料的開發(fā)報告。

在21世紀(jì)，鎂合金應(yīng)用開發(fā)受到很多的關(guān)注，因此在鎂合金行業(yè)工業(yè)化大步向前的同時，要善于結(jié)合鎂合金材料的應(yīng)用前景，更好地發(fā)揮稀土類優(yōu)質(zhì)鎂合金材料的獨有優(yōu)勢，既要借鑒國外先進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)驗，更要重視自主知識產(chǎn)權(quán)，大力推進(jìn)高性能稀土鎂合金資源的自主研發(fā)，增強(qiáng)我國在鎂合金材料開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域中的地位，拓寬稀土資源的充分合理使用的空間。這勢必會推動我國鎂合金產(chǎn)業(yè)的繁榮和稀土資源的發(fā)展。

3.2 適應(yīng)汽車、電子、通訊等行業(yè)的需要

不同于高科技領(lǐng)域，民用領(lǐng)域中的鎂合金材料要想得到普及和應(yīng)用，價格因素是首要的影響因素。即使合金材料的性能優(yōu)越，但售價過高的話，用戶也不會有消費欲望。因此，民用汽車、電子、通信等鎂合金材料在設(shè)計合金時要考慮性能和價格，充分考慮性價比，開發(fā)新型低成本耐熱鎂合金。鑒于耐熱鎂合金的發(fā)展現(xiàn)狀和尚存的不足，應(yīng)以以下方面為重點來促進(jìn)低成本耐熱鎂合金材料的開發(fā)：①在生產(chǎn)工藝層面提升鎂合金材料的耐高溫、耐腐蝕性及機(jī)械性能。在此方面，少量、多元素的合金鑄造工藝是改善耐熱鎂合金工藝性能的行之有效的方法。使用大量造價較低的合金元素，發(fā)掘合金元素和微量元素之間有益的相互作用，并充分結(jié)合各元素之間有益的分子機(jī)制，有效地提升鎂合金材料的生產(chǎn)性能。②改善合金材料的鑄造性能，應(yīng)對大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。對于耐熱鎂合金的造價控制和市場價值的提升而言，高效的大批量生產(chǎn)工藝是必不可少的，例如在汽車行業(yè)，壓鑄就是十分必要且高效的生產(chǎn)工藝，所以鑄造汽車部件需要的耐熱鎂合金材料就必須具備優(yōu)良的壓鑄性能。因此，在合金材料總體性能提升的前提下，必須使其具有不同的加工特性，以適應(yīng)不同的用途和生產(chǎn)工藝。

4 結(jié)語

作為輕金屬材料，鎂合金材料的開發(fā)和應(yīng)用已是一種趨勢。在突破鎂合金的生產(chǎn)工藝和造價等限制的基礎(chǔ)上，為了更好發(fā)揮耐熱鎂合金材料的優(yōu)良性能，需要不斷改良冶煉技術(shù)，發(fā)展新型高性能鎂合金型材，同時應(yīng)緊抓自主知識產(chǎn)權(quán)，努力使我國盡快從鎂大國轉(zhuǎn)變?yōu)殒V強(qiáng)國。