鎂合金液態(tài)精密成型研究進(jìn)展

2015-12-21 09:03:53吳國華,張亮,丁文江

上海電力大學(xué)學(xué)報 2015年4期

關(guān)鍵詞：鎂合金

吳國華, 張亮, 丁文江

(上海交通大學(xué) 輕合金精密成型國家工程研究中心, 上海200240)

摘要:介紹了鎂合金液態(tài)精密成型技術(shù)的研究進(jìn)展,包括鎂合金熔煉氣體保護(hù),熔體凈化、細(xì)化,鎂合金壓鑄、擠壓鑄造、消失模鑄造和半固態(tài)加工的研究成果,展示了鎂合金廣闊的應(yīng)用前景.最后,對鎂合金液態(tài)精密成型技術(shù)的發(fā)展方向作了展望.

關(guān)鍵詞：鎂合金;液態(tài)精密成型;半固態(tài)成型

收稿日期：2014-10-24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51275295);上海航天先進(jìn)技術(shù)聯(lián)合研究中心資助項(xiàng)目(12GFZ-JJ08-015);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金 (20120073120011).

中圖分類號：TG27；TG306文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research Progress on Liquid Precision Forming of Magnesium Alloy

WU Guohua,ZHANG Liang,DING Wenjiang

(NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloyNetForming,

ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:Research progress on liquid precision forming of magnesium alloy is introduced,including the protective gas used in melting of magnesium alloy,the purification and grain refinement technology of magnesium alloy,dye casting,squeeze casting,lost foam casting and semisolid forming.Recent achievements in these fields are presented to show that magnesium alloy can be widely used in the future.Finally,the development of liquid precision forming techniques of magnesium alloy is presented.

Key words: magnesium alloy; liquid precision forming; semisolid forming

鎂合金具有密度小,比強(qiáng)度、比剛度高,阻尼減震性、切削加工性、導(dǎo)熱性好,電磁屏蔽能力強(qiáng),鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),[1]是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,近年越來越受到人們的重視,特別是在航空、航天、汽車、電子及國防軍工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.[2]我國的原鎂產(chǎn)量居世界首位,占全球產(chǎn)量的40%,是鎂資源大國、生產(chǎn)大國和出口大國,但在該領(lǐng)域的發(fā)展卻極不平衡,如80%以上的出口產(chǎn)品是低價原鎂,深加工產(chǎn)品極少,鎂合金應(yīng)用嚴(yán)重滯后,屬于典型的以犧牲資源和環(huán)境為代價的原料出口型工業(yè).因此,積極推進(jìn)我國鎂合金成型方法的研究開發(fā)具有重要的理論和實(shí)際意義.[3-4]

鎂合金的成型主要分為液態(tài)成型和固態(tài)成型,其中,液態(tài)精密成型可以制造形狀復(fù)雜且精度和性能要求較高的零件,提高材料利用率、節(jié)約能源,是鎂合金成型技術(shù)的重要發(fā)展方向,也是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).本文將從制備鎂合金熔體出發(fā)直到液態(tài)精密成型結(jié)束,分別介紹鎂合金熔煉過程中的氣體保護(hù)、合金凈化和細(xì)化,鎂合金壓鑄、擠壓鑄造、消失模鑄造和半固態(tài)成型等技術(shù)的研究進(jìn)展.

1鎂合金熔煉氣體保護(hù)

鎂合金在熔煉過程中的氧化燃燒問題是阻礙鎂合金熔煉技術(shù)和加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題,嚴(yán)重影響到鎂合金材料的發(fā)展和應(yīng)用.[5]目前常用的鎂合金熔煉保護(hù)方法主要有熔劑保護(hù)法、合金化阻燃法和氣體保護(hù)法.

最初的鎂合金熔煉保護(hù)常由熔劑來完成,該方法利用低熔點(diǎn)的無機(jī)化合物在較低溫度下熔化,覆蓋在鎂熔體表面,阻止熔體與空氣的接觸,起到保護(hù)作用.[6]熔劑保護(hù)法的保護(hù)效果明顯,但是它產(chǎn)生的夾雜物混入合金液后會嚴(yán)重?fù)p害產(chǎn)品的力學(xué)性能和抗腐蝕性能.此外,熔劑在高溫下會產(chǎn)生并揮發(fā)出Cl2,HCl,HF等氣體,不僅會嚴(yán)重腐蝕生產(chǎn)設(shè)備,而且會對人體健康造成危害.[7]在氣體保護(hù)法發(fā)展成熟之后,熔劑保護(hù)法已被逐漸取代.

合金化阻燃是指在鎂合金中加入Ca,Be和稀土等元素,在熔煉過程中使液態(tài)鎂合金表面形成一層致密的氧化膜,阻止氧化進(jìn)一步發(fā)生.[8-10]從理論上說,合金化阻燃比熔劑保護(hù)和氣體保護(hù)效果更為理想,因?yàn)樗谌蹮掃^程中不引入新的雜質(zhì).但是加入過多的合金元素,會影響鎂合金的性能,如過多的Ca會增大合金的脆性,過多的Be會增大鎂合金晶粒并引起熱裂.[11]因此,合金化阻燃雖然是鎂合金熔煉保護(hù)的一個很有前景的研究方向,但現(xiàn)階段仍無法滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的要求.

氣體保護(hù)是目前國外鎂合金行業(yè)普遍采用的技術(shù),其保護(hù)機(jī)理是在鎂熔體表面覆蓋一層惰性氣體或能與鎂反應(yīng)生成致密表面膜的氣體,阻止鎂熔體發(fā)生劇烈氧化燃燒.根據(jù)是否與鎂熔體發(fā)生反應(yīng),可以將保護(hù)氣體分為惰性氣體和反應(yīng)性氣體兩種.惰性氣體主要是指He和Ar;反應(yīng)性氣體包括N2,CO2,BF3,SO2,SF6等.

惰性氣體He或Ar都屬于稀有氣體,化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,覆蓋于鎂熔體表面,能夠隔絕鎂熔體與空氣接觸,阻止鎂的氧化.但是由于He和Ar均不與鎂發(fā)生反應(yīng),無法形成致密的表面膜抑制鎂熔體蒸發(fā),因此在實(shí)際生產(chǎn)中,He和Ar只能在密封熔煉系統(tǒng)中使用,極大地增加了熔煉難度;且在熔煉過程中對氣體流量要求很高,需達(dá)到若干m3/min的數(shù)量級,增加了生產(chǎn)成本.[12-13]

N2,CO2,BF3,SO2，SF6等反應(yīng)性氣體是鎂合金工業(yè)生產(chǎn)中最常用到的保護(hù)氣體,熔煉過程中這些氣體與鎂反應(yīng)生成致密鎂化合物膜,阻隔空氣中的氧與鎂液反應(yīng),這些氣體與鎂反應(yīng)的化學(xué)方程式如表1所示.[14-22]

表1　常見反應(yīng)性氣體與鎂反應(yīng)的化學(xué)方程式

目前看來,SF6是保護(hù)效果最為理想的氣體,但SF6的溫室效應(yīng)作用巨大,是CO2的23 900倍,且非常穩(wěn)定,不易分解,大氣壽命達(dá)3 200年,會對生態(tài)造成嚴(yán)重危害.[23]隨著人類對環(huán)境問題的日益關(guān)注,以歐盟為代表的國家和地區(qū)正逐步限制或禁止使用SF6,《京都議定書》也號召減少SF6等溫室氣體的排放,這已經(jīng)對鎂合金產(chǎn)業(yè)形成了新的挑戰(zhàn).

隨著對使用SF6的限制越來越嚴(yán)格,尋找新型保護(hù)氣體的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫,研究者們在這一領(lǐng)域開展了一系列工作.前期的研究結(jié)果表明,對鎂熔體起到保護(hù)作用的主要是形成MgF2的氟元素,因此目前對新型保護(hù)氣體的研究主要集中在含氟氣體上.國際鎂協(xié)(IMA)提出了3類可能的替代氣體,分別是CF3CH2F(HFC-134a)，C3F7COC2F5(FK),以及C4F9OCH3(HFE7100)和C4F9OC2H5(HFE7200)[24],目前研究主要集中在前兩類保護(hù)氣體.

2001年,澳大利亞昆士蘭大學(xué)的CASHION首先提出用CF3CH2F(HFC-134a)取代SF6作為鎂合金熔煉的保護(hù)氣體.[25]HFC-134a是一種環(huán)保型制冷劑,其全球變暖系數(shù)(Global Warming Potential,GWP)僅為SF6的1/18,大氣壽命僅為SF6的0.46%.西北工業(yè)大學(xué)的陳虎魁等人系統(tǒng)研究了HFC-134a對純鎂和鎂合金熔體的保護(hù)效果和保護(hù)機(jī)理.[26-30]他們的研究結(jié)果表明,0.1%濃度的HFC-134a與空氣混合就能達(dá)到很好的保護(hù)效果,表面生成的是MgF2和MgO的復(fù)合保護(hù)膜,其試驗(yàn)所得SEM照片如圖1所示.[28]目前,以HFC-134a為有效成分的新型鎂熔煉保護(hù)氣體AM-cover已在澳大利亞先進(jìn)鎂業(yè)公司的鎂加工廠進(jìn)入實(shí)用階段,取得了良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益.[31]但是HFC-134a的使用仍存在一定缺陷,主要是HFC-134a在770 ℃以上會發(fā)生自燃,同時該氣體對設(shè)備腐蝕比較嚴(yán)重.[32]

圖1　純鎂和AZ91D鎂合金在不同濃度HFC-134a與空氣混合氣氛保護(hù)下

除HFC-134a以外,上海交通大學(xué)還研究了與之類似的CH2F2(HFC-32)[33]和CH3CHF2(HFC-152a)[34]等對鎂熔體的保護(hù)情況.研究結(jié)果表明,這一類含氟烷烴化合物對鎂熔體具有相似的保護(hù)效果.在純鎂和鎂合金中加入0.02%~1.00%的HFC-32時所形成的表面膜是連續(xù)和致密的,其自愈能力及與基體的結(jié)合能力都很強(qiáng).[33]

C3F7COC2F5(氟化酮,FKS)是另一類較有潛力的新型保護(hù)氣體,該氣體的溫室效應(yīng)較低,僅與CO2相似.清華大學(xué)朱超等人的研究表明，[35]FKS濃度僅為0.006%~0.008%時就能達(dá)到保護(hù)效果,這是由于該氣體分子中的C--F鍵比SF6分子中的S--F鍵易于斷裂,且產(chǎn)生的F原子數(shù)量更多,因此所需氣體濃度較低.

目前，氟化酮已進(jìn)入商品化階段,商品名為Novec 612,但由于價格昂貴,距離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走.而且有研究表明,在保護(hù)過程中,FKS會發(fā)生分解,其分解產(chǎn)物包括CO,HF,CH4,C2F6,C3F8,COF2等,這些混合氣體被排放到大氣中,對環(huán)境的影響還有待進(jìn)一步研究.[36]

通過比較新型氣體和SF6對鎂熔體的保護(hù)效果發(fā)現(xiàn),新型保護(hù)氣體形成保護(hù)膜的速度更快、所需最低濃度更低,表現(xiàn)出更好的保護(hù)效果.其原因可能是:新型氣體的熱穩(wěn)定性低,分解溫度低,在熔煉溫度時已分解完全,在保護(hù)氣氛中存在大量活性氟原子,與新鮮鎂熔體發(fā)生反應(yīng),迅速形成以MgF2為主的致密保護(hù)膜.分析表面膜中的元素組成發(fā)現(xiàn),與SF6相比,新型保護(hù)氣體形成的表面膜中氧元素含量明顯降低,同時氟元素含量升高,并超過氧元素含量,這表明表面膜組分由以MgO為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐訫gF2為主,與理論預(yù)測相符.

盡管目前研究者們已經(jīng)嘗試了一些新型保護(hù)氣體,取得了一定成果,但仍未找到一種能夠全面取代SF6的保護(hù)氣體.這其中既存在技術(shù)方面的問題,又受到成本的制約.在下一步研究過程中,應(yīng)該在弄清鎂熔體保護(hù)機(jī)理的前提下,尋找溫室效應(yīng)低、價格相對低廉的新型保護(hù)氣.

2鎂合金的凈化和細(xì)化

2.1　鎂合金凈化

在熔煉過程中,由于鎂及其合金化元素(如稀土元素等)具有較高的化學(xué)活性,易于在空氣中快速氧化,從而導(dǎo)致合金元素的燒損和非金屬夾雜物的形成,這些非金屬夾雜物會成為破壞力學(xué)性能和腐蝕性能的發(fā)源地,對材料的綜合質(zhì)量產(chǎn)生極大的危害.因此,在鎂合金制備過程中對合金熔體進(jìn)行純凈化處理是十分必要的.目前,鎂合金熔體凈化的主要方法包括熔劑凈化法、非熔劑凈化法和復(fù)合凈化法.

在鎂合金的純凈化方法中,熔劑凈化由于成本低、操作簡便、凈化效果好而得到廣泛應(yīng)用.其原理是利用熔劑潤濕夾雜物,使夾雜物團(tuán)聚并與熔劑結(jié)合形成沉淀,沉降至熔體底部,[37]從而達(dá)到除渣的目的.針對含稀土的鎂合金,上海交通大學(xué)在保證精煉效果的前提下(即不減少M(fèi)gCl2含量),通過在精煉劑中添加稀土化合物,對稀土鎂合金的熔劑凈化做了系統(tǒng)的研究.高洪濤等人[38]率先采用含CeCl3的凈化熔劑對含Ce的AZ91鎂合金進(jìn)行精煉,研究了CeCl3對合金中Ce損耗量的影響規(guī)律,并利用熔鹽離子模型結(jié)合熱力學(xué)分析探討了熔劑與鎂液的作用機(jī)理.結(jié)果表明:當(dāng)熔劑中不含CeCl3時,合金中的Ce損失高達(dá)27.7%;而當(dāng)CeCl3的含量達(dá)到15%時,合金中的Ce損失僅為4.5%,隨著CeCl3含量的增加,合金力學(xué)性能提高,但過多的CeCl3會在合金中引入熔劑夾雜,反而使力學(xué)性能惡化.鄭韞等人[39]系統(tǒng)研究了JDRJ精煉劑中不同GdCl3添加量對Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金性能的影響,發(fā)現(xiàn)合金中Gd元素的損耗率隨熔劑中GdCl3含量的增加而逐漸減小,當(dāng)增加5%GdCl3時,Gd損耗率降至4.11%,當(dāng)GdCl3的添加量達(dá)到10%時,雖然Gd損耗率降至2.24%,但是與7.5%添加量時損耗率為2.26%對比,其減小量已經(jīng)不明顯,即繼續(xù)增大GdCl3的添加量已經(jīng)失去意義.當(dāng)GdCl3添加量達(dá)到2.5%時,不僅降低了Gd的損耗,凈化效果也非常好,因此認(rèn)為此時凈化后合金試樣的綜合性能最好.

非熔劑凈化法主要有旋轉(zhuǎn)噴吹凈化和泡沫陶瓷過濾器凈化.其中,旋轉(zhuǎn)噴吹凈化法因其去氣效率高,兼有一定的除雜功能而備受關(guān)注.目前,鋁合金旋轉(zhuǎn)噴吹工藝的研究比較成熟,實(shí)際生產(chǎn)中也已有所應(yīng)用,[40-41]然而旋轉(zhuǎn)噴吹凈化在鎂合金熔煉過程中應(yīng)用的報導(dǎo)則相對較少.通過建立適用于鎂合金旋轉(zhuǎn)噴吹除氣的理論模型,胡中潮等人[42]分析了工藝參數(shù)對除氣效率的影響,為指導(dǎo)鎂合金熔體除氣工藝的優(yōu)化提供了基礎(chǔ).在采用減壓凝固法考察了旋轉(zhuǎn)噴吹除氣凈化工藝的凈化效果的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),AZ91鎂合金經(jīng)純Ar旋轉(zhuǎn)噴吹處理30 min后,能快速顯著地降低鎂合金中的含氣量,力學(xué)性能特別是合金的延伸率得到大幅度提高.在旋轉(zhuǎn)噴吹凈化的工藝優(yōu)化研究中,許四祥等人[43]運(yùn)用正交試驗(yàn)方法對除氣的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn),研究了通Ar流量、通Ar時間及精煉溫度三因子對精煉效果的影響,結(jié)合快速定量測氫儀確定了通Ar除氣的最佳工藝參數(shù)匹配，即通Ar流量為1～1.5 L/min,通Ar時間為20～25 min,鎂液溫度為725～750 ℃,并且借助于熱力學(xué)和動力學(xué)分析探索了主要工藝參數(shù)對鎂合金熔體凈化的影響規(guī)律.陳廣告等人[44]則從純化和凈化兩方面研究旋轉(zhuǎn)速度和通氣量二因子對精煉效果的影響.結(jié)果表明，石墨桿的旋轉(zhuǎn)速度和氬氣的通氣量達(dá)到一定匹配時(旋轉(zhuǎn)速度360 r/min,噴氣量達(dá)到6 L/min),凈化后合金的力學(xué)性能有較大提高.

泡沫陶瓷過濾器凈化不但可以濾掉合金熔體中微細(xì)夾雜物顆粒,而且能去掉一般過濾介質(zhì)難以濾除的液態(tài)熔劑夾雜物.近年來,泡沫陶瓷過濾法在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)作為鑄造過濾的新工藝得到了全面推廣,成為一種提高鑄件力學(xué)性能、減少氣孔和夾雜物最簡單有效的方法.在國內(nèi),針對這一過濾方法,也進(jìn)行了大量的研究.研究表明,泡沫陶瓷過濾在鋅合金還有鋁合金中能夠達(dá)到很好的除雜效果.[45-46]

同時,華興航空機(jī)輪公司所進(jìn)行的泡沫陶瓷過濾技術(shù)在高標(biāo)準(zhǔn)鎂合金鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用研究表明,經(jīng) 13~15ppi MgO泡沫陶瓷過濾凈化后,使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的飛機(jī)發(fā)動機(jī)外殼鑄件通過ASTME155-64X光探傷標(biāo)準(zhǔn)與EIS117J熒光探傷標(biāo)準(zhǔn),合格率從0提升到70%左右.[47]王瑋[48]率先研究了泡沫陶瓷過濾凈化對于Mg-10Gd-3Y-0.5Zr稀土鎂合金的影響.研究結(jié)果表明,泡沫陶瓷過濾凈化在稀土鎂合金熔體的凈化上也能達(dá)到一定的效果,但針對不同的稀土鎂合金找到合適的骨架材料,并搭配合適的過濾孔徑是未來所要突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

復(fù)合凈化包括熔劑凈化與非熔劑凈化工藝的結(jié)合,以及多種非熔劑凈化工藝的結(jié)合等,具體來說，包括熔劑凈化結(jié)合泡沫陶瓷過濾、熔劑凈化結(jié)合氣體旋轉(zhuǎn)噴吹、泡沫陶瓷過濾結(jié)合氣體旋轉(zhuǎn)噴吹等凈化工藝.[49-50]

目前,復(fù)合凈化工藝大多仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段,但已顯示出良好的應(yīng)用前景.采用熔劑復(fù)合MgO泡沫陶瓷過濾器[51]對AZ91廢料進(jìn)行凈化處理后,合金的性能得到顯著改善,抗拉強(qiáng)度σb和延伸率δ分別達(dá)到了194.6 MPa和5.12%,與新料的力學(xué)性能接近.盧晨等人[49]探索了不同中間方法的復(fù)合對鎂熔體的凈化效果,研究表明,采用熔劑、吹氬和過濾的復(fù)合凈化處理工藝可以有效清除鎂熔體中的夾雜物和氣孔,使鎂合金的性能得到極大的提高.

熔體凈化處理是提高鎂合金品質(zhì)的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)品質(zhì)突破的重要瓶頸.如何有效利用各種中間方法優(yōu)勢,發(fā)揮出最大的凈化效果,實(shí)現(xiàn)鎂合金的最大產(chǎn)業(yè)化價值,對科研工作者來說是一個巨大的挑戰(zhàn)和需要長期研究的課題.

2.2　鎂合金細(xì)化

相較于其他工程材料,鎂合金具有較大的Hall-Petch系數(shù),即合金的性能對晶粒尺寸較為敏感,因而對鎂合金的晶粒細(xì)化的研究顯得尤為重要.合金的晶粒細(xì)化的基本原則都是通過促進(jìn)形核、抑制晶粒長大的方式實(shí)現(xiàn).按照實(shí)現(xiàn)細(xì)化的手段,現(xiàn)有的方法主要有強(qiáng)制激冷細(xì)化、添加晶粒細(xì)化劑細(xì)化和施加外場細(xì)化等.強(qiáng)制激冷細(xì)化主要是使金屬熔體在凝固時獲得極大的冷速來實(shí)現(xiàn)細(xì)化,但受工藝限制無法獲得大尺寸樣品.添加外場細(xì)化的方法,近年來也成為研究的熱點(diǎn),主要包括機(jī)械攪拌、電磁攪拌、超聲振動及脈沖電場等,但由于工藝及裝置復(fù)雜,消耗能量大,適用于難以用其他手段細(xì)化的合金系.而添加晶粒細(xì)化劑細(xì)化的方法由于不存在以上兩種方法的限制,成為鎂合金晶粒細(xì)化研究的主要方法.針對現(xiàn)有的鎂合金系列,晶粒細(xì)化劑的研究主要包括含鋁鎂合金和不含鋁鎂合金兩類.

2.2.1含鋁鎂合金

鎂-鋁系合金,如鎂-鋁-鋅系(如AZ31,Z91等)、鎂-鋁-錳系(如AM60等),在鎂合金工業(yè)中占有極大的比重,因而發(fā)展基于鎂鋁系的晶粒細(xì)化劑成為亟需解決的問題.添加碳孕育細(xì)化是現(xiàn)在工業(yè)上運(yùn)用的最有效的細(xì)化劑,然而碳的添加方式依然有待研究.[52-53]添加Fe,Mn,Ti也可以使合金得到一定程度的細(xì)化,但當(dāng)Fe和Mn同時存在時會發(fā)生“中毒”現(xiàn)象,因而它們的細(xì)化效率無法有效控制,且細(xì)化機(jī)制尚不清楚.硼化物(如TiB2等)在鋁合金的晶粒細(xì)化中可以產(chǎn)生明顯效果,部分研究者曾報道添加此類中間合金對鎂鋁系合金的細(xì)化效果,但其實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能被較好的重復(fù).

用于晶粒細(xì)化研究的“邊邊匹配”模型預(yù)測了ZnO及AlN可能是鎂合金中較好的晶粒細(xì)化劑,但前者在鎂合金熔體中不能穩(wěn)定存在,后者經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)與預(yù)測結(jié)果不相符.[53]FAN Z等人的研究表明,MgO可以作為鎂的有效形核核心用于晶粒細(xì)化,[54-55]但需要對熔體進(jìn)行劇烈的攪拌(如雙螺桿攪拌),使大塊的MgO薄膜碎裂至微米級的顆粒并均勻分布于熔體中,使其作為異質(zhì)形核核心讓晶粒發(fā)生細(xì)化,如圖2所示.[54]綜上可見,迄今為止依然沒有較理想的晶粒細(xì)化劑來細(xì)化鎂鋁系合金.

2.2.2不含鋁鎂合金

不含Al,Mn,Si,Fe的鎂合金,如鎂-鋅系及鎂-稀土系合金,由于其較強(qiáng)的時效析出硬化效應(yīng),表現(xiàn)出較強(qiáng)的室溫與高溫性能,在航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,特別是近年來發(fā)展出的基于鎂與重稀土建立的合金系,如Mg-Y-Nd(WE系)、Mg-Nd-Zn-Zr(NZK系)及Mg-Gd-Y(GW系)等合金系.針對不含鋁鎂合金,鋯可作為理想的晶粒細(xì)化劑.

圖2　AZ91D合金經(jīng)雙螺桿強(qiáng)烈剪切攪拌前后在不同溫度澆注的金相組織

EMLEY 提出的包晶反應(yīng)機(jī)制被認(rèn)為是經(jīng)典的鋯細(xì)化理論,鋯細(xì)化的合金組織中的富鋯暈環(huán)可以有效證明該理論.[56]在Mg-Zr二元系中,Zr在Mg中的極限固溶度約為0.6%,而通過相圖計(jì)算可以得到Zr在Mg中的生長限制因子為39,遠(yuǎn)大于其他常見合金元素,在合金的凝固過程中可有效限制晶粒的生長.QIAN M等人的研究認(rèn)為,[57-58]Mg-Zr中間合金用于鎂合金的晶粒細(xì)化時,其中的溶解鋯和未溶解鋯均對晶粒細(xì)化起作用.溶解鋯主要起生長限制作用;而未溶解同時又未沉降的單質(zhì)鋯粒子可作為異質(zhì)形核核心產(chǎn)生形核作用.雖然鋯的細(xì)化效果很明顯,但由于Mg-Zr中間合金較昂貴,同時為了產(chǎn)生明顯晶粒細(xì)化所需的中間合金,添加量往往為熔體總量的1.5%~2%.另外,鎂鋯中間合金的細(xì)化效能會因?yàn)殇喠Ｗ拥某两底饔枚S著時間的延長發(fā)生衰減;溶解的鋯在鐵制坩堝中重熔時會與Fe發(fā)生反應(yīng)生成金屬間化合物而沉降,因而鋯細(xì)化的效果只能在第一次澆注時產(chǎn)生.[59]

采用擠壓、軋制等大塑性變形的方法可以使得鎂鋯中間合金中的鋯粒子進(jìn)一步破碎,可以在一定程度上提高鎂鋯中間合金的收得率,但收效甚微.[60]

發(fā)展新型鋯添加劑,如含鋯的化合物鹽類等,成為一種可操作的替代方式.SUN N等人采用了K2ZrF6復(fù)合鹽細(xì)化Mg-10Gd-3Y合金,[61]其原理是向鎂合金熔體中添加K2ZrF6復(fù)合鹽與Mg反應(yīng)生成溶質(zhì)Zr.研究結(jié)果表明,在810 ℃添加8%的復(fù)合鹽可以得到含量為0.56%左右的溶解鋯.經(jīng)K2ZrF6復(fù)合鹽細(xì)化的晶粒與鎂鋯中間合金相當(dāng),[61]且該方法所得合金中不存在大顆粒的Zr核,如圖3所示.

但由于鋯鹽的反應(yīng)產(chǎn)物中有MgF2和KF,難以用常規(guī)的精煉劑進(jìn)行凈化,采用鋯鹽細(xì)化的Mg-Gd-Y合金力學(xué)性能較差.[61]

圖3　添加不同含量的K 2ZrF 6復(fù)合鹽細(xì)化的Mg-10Gd-3Y合金的金相組織

3鎂合金液態(tài)精密成型

3.1　鎂合金壓鑄

鎂合金壓鑄就是在高壓的作用下,將液態(tài)或半液態(tài)鎂合金熔體高速度壓入鑄型型腔,在壓力下凝固成型從而獲得輪廓清晰、尺寸精確的鎂合金鑄件的方法.由于鎂合金具有優(yōu)異的流動性能,采用壓鑄的方法可以生產(chǎn)復(fù)雜、薄壁、尺寸精度高的鎂合金鑄件且生產(chǎn)效率高.因此,鎂合金產(chǎn)品中最廣泛采用的成型工藝是壓鑄工藝.目前,鎂合金的壓鑄方法有高壓壓鑄、真空壓鑄、充氧壓鑄等.

3.1.1高壓壓鑄

高壓壓鑄是目前工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鎂合金成型方法,采用高壓壓鑄方法生產(chǎn)的Mg-Al系合金如AZ91D和AM60等合金,因其良好的室溫性能和抗腐蝕性能已廣泛應(yīng)用于一些非重要的零件如閥蓋、儀表板等.[62]雖然具有上述優(yōu)點(diǎn),但鎂合金高壓壓鑄過程中由于卷氣等原因容易產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷,使得合金不能通過熱處理來提高性能.同時,傳統(tǒng)的壓鑄Mg-Al系合金高溫蠕變性能較差,制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用.

目前,研究者主要通過兩方面來提高鎂合金高壓壓鑄件的力學(xué)性能.一方面,加大壓鑄工藝參數(shù)對鎂合金組織及性能影響的研究,進(jìn)而優(yōu)化出最佳的工藝參數(shù),降低鎂合金組織中氣孔等缺陷的數(shù)量,提高合金的力學(xué)性能.LEE S G等人[63]研究了澆口速度、增壓壓力和熔體溫度3個主要因素對高壓壓鑄AM50鎂合金中微孔間隙分布的影響,發(fā)現(xiàn)隨著增壓壓力的增加,氣孔的數(shù)量明顯減少且空隙變小,低的澆口速度和熔體溫度更能減小氣孔的數(shù)量和面積分?jǐn)?shù).宋杰[64]采用階梯型試樣件研究了壓鑄工藝參數(shù)對鎂合金組織及力學(xué)性能的影響,得到了相似的結(jié)論:力學(xué)性能隨著壓力的增加有不同程度的提高,低速則可明顯提高壓鑄鎂合金的力學(xué)性能.其階梯型試樣件如圖4所示.此外,張晴朗[65]通過模擬和極差、方差分析的方法發(fā)現(xiàn),壓射速度、金屬澆注溫度和模具預(yù)熱溫度對鎂合金缸體鑄件質(zhì)量的影響程度依次減小,并通過對最初方案的不斷改善提出了優(yōu)化工藝.

另一方面,向Mg-Al系合金中加入稀土元素,采用高壓壓鑄的方法制備鑄件,以改變合金中化合物和析出相的形態(tài),從而提高壓鑄鎂合金的室溫力學(xué)性能和高溫蠕變性能.常加入的稀土元素有Ld,Ce及其混合稀土等.在Mg-4Al合金中,隨著Ce的加入,高壓壓鑄合金組織中枝晶間距明顯減小,Al11Ce3代替Mg17Al12成為主要強(qiáng)化相,提高了合金在200 ℃的高溫性能.[66]在含La鎂合金中只有復(fù)雜形貌的Al11La3相存在,而在壓鑄富Ce混合稀土鎂合金晶界處卻存在Al11RE3和Al2RE兩相,由于Al11La3相良好的熱穩(wěn)定性,含La鎂合金的拉伸及抗蠕變性能優(yōu)于富Ce鎂合金.[67]進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),分布在枝晶間的Al11La3相在200 ℃下800 h內(nèi)不會有明顯分解,在450 ℃下800 h后,Al11La3相才會分解成Al2La相.[68]在壓鑄鎂合金高溫性能的研究中,ZHANG D P等人[69]指出Al11RE3的存在使得AZ91D合金的組織得到明顯細(xì)化,晶界強(qiáng)化作用加強(qiáng),且合金的最小蠕變速度從2.30×10-6s-1降低到了2.02×10-6s-1.HUANG Y D等人[70]認(rèn)為AE42合金中通過稀土元素和Al形成的分布在晶界處的AlxREy金屬間的化合物,提高了合金的抗蠕變性能,使得合金在450 ℃高溫時仍有很好的穩(wěn)定性.ZHU S M等人[71]通過對比Mg-La,Mg-Ce,Mg-Nd 3種二元合金的抗蠕變性能指出,抗蠕變強(qiáng)度的不同與稀土元素在α-Mg中的固溶程度有關(guān),對于Mg-RE合金的抗蠕變性能,固溶強(qiáng)化作用比金屬間化合物的產(chǎn)生所引起的晶界強(qiáng)化作用更明顯.LEE Soon Gi等人[72]在研究鎂稀土合金AE44的高壓壓鑄試樣時發(fā)現(xiàn),該合金中氣孔的形狀和3D形貌與其他鎂合金有本質(zhì)上的不同,并推測這可能是AE44合金具有較高性能的原因.另外,ZHENG W C等人[73]在研究Mg-Al合金中加入0.1%~1.2% RE后對其抗熱裂性能影響時發(fā)現(xiàn),隨著RE添加量的增加,合金的抗熱裂性能顯著降低.近年來,雖然材料學(xué)者對Mg-Al-RE系壓鑄鎂合金進(jìn)行了大量的研究,并取得了一定成果,但由于其成本較高等因素,應(yīng)用范圍受到限制.

圖4　階梯型試樣件

3.1.2真空壓鑄

為了解決高壓壓鑄的氣孔問題,真空壓鑄應(yīng)運(yùn)而生.真空壓鑄可在不降低生產(chǎn)效率的同時消除或減少壓鑄件內(nèi)部的氣孔,進(jìn)而提高鑄件的力學(xué)性能、表面質(zhì)量及耐腐蝕性能,是理想的鑄造方法.

力學(xué)性能方面,真空壓鑄鎂合金的初步研究結(jié)果顯示:與普通壓鑄相比,氣孔明顯減少,拉伸性能和塑性有所增加.[74]WAN L等人[75]分別對Al-Mg-Si-Mn合金進(jìn)行了普通壓鑄實(shí)驗(yàn)和真空壓鑄實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)真空輔助可提高抗疲勞強(qiáng)度,減少Fe的不利影響,但是力學(xué)性能各方面提高不明顯,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.[75]

表2　普通壓鑄和真空壓鑄試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果及密度

PATEL H A等人[76]研究了超真空壓鑄AM60B鎂合金的周期變形行為,發(fā)現(xiàn)超真空壓鑄AM60B鎂合金有更強(qiáng)的抗疲勞性能,尤其在高周疲勞區(qū)域.還有學(xué)者進(jìn)行了動態(tài)力學(xué)性能方面的研究.LIU Zheng等人[77]采用霍普金森拉桿和壓桿裝置分別研究了高應(yīng)變速率下普通壓鑄和真空壓鑄AT72鎂合金的動態(tài)拉壓性能,發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變率相近的情況下,兩種狀態(tài)的合金的動態(tài)拉伸和壓縮性能相近,動態(tài)破壞應(yīng)變卻有很大區(qū)別.

耐腐蝕性能方面,劉靜[78]研究發(fā)現(xiàn),真空壓鑄AZ91鎂合金在3.5%NaCl溶液中腐蝕速率下降到普通壓鑄的33.75%.在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,真空壓鑄試樣的腐蝕電位比普通壓鑄高2.67%,腐蝕速率降低15.92%.WEN Wei等人[79]采用超真空制備的方法制備AM60鎂合金,其腐蝕率與普通壓鑄相比降低了39%~62%.LIU Y F等人[80]也對AM60B壓鑄鎂合金普通高壓壓鑄和真空壓鑄的組織及耐腐性進(jìn)行了對比,指出真空壓鑄合金表層大體積分?jǐn)?shù)β相的存在使得其耐腐蝕性高于高壓壓鑄.

此外,內(nèi)部氣孔的減少,使得真空壓鑄件可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,以進(jìn)一步提高合金性能.SHI X等人[81]在觀察了真空壓鑄Mg-7Al-2Sn(AT72)鎂合金鑄態(tài)和不同熱處理狀態(tài)下組織的演變,如圖5所示,指出由α-Mg基體和Mg2Sn,Mg17Al12相構(gòu)成的樹枝晶鑄態(tài)組織,經(jīng)390 ℃和430 ℃固溶處理后,Mg17Al12相全部溶入Mg基體,而Mg2Sn只有部分固溶.410 ℃固溶16 h后合金的平均晶粒尺寸可達(dá)到40 μm.在時效后的AT72合金中發(fā)現(xiàn)板條狀的Mg2Sn和Mg17Al12沉淀相,拉伸強(qiáng)度也因此升高.付彭懷等人[82]發(fā)現(xiàn)真空壓鑄可減少AZ91D鎂合金中空洞的存在,但力學(xué)性能并沒有改善,T4和T6熱處理后,Mg17Al12固溶,合金具有固溶強(qiáng)化和時效強(qiáng)化效果,性能才有大幅度提高.

3.1.3充氧壓鑄

充氧壓鑄又稱無氣孔壓鑄,是在金屬液充填壓鑄模具型腔前,將氧氣充入型腔取代其中的空氣和其他氣體,金屬液會與氧氣反應(yīng)生成金屬氧化物微粒,呈彌散狀分布在鑄件中,從而消除了壓鑄件的氣孔.與普通壓鑄相比,充氧壓鑄制備的鎂合金的力學(xué)性能等方面均顯著提升,如表3所示.[83]但由于其需要附加的充氧控制裝置工藝參數(shù)控制較為復(fù)雜,充氧壓鑄并沒有大范圍應(yīng)用,一般只用于對質(zhì)量要求較高的鑄件的生產(chǎn).

3.2　鎂合金擠壓鑄造

擠壓鑄造可以泛指液態(tài)金屬在高壓下完成凝固的成型技術(shù),也被稱作液態(tài)模鍛,是一種將金屬型鑄造和模鍛成型兩種工藝融合到一體的新型近凈成型工藝.[84]擠壓鑄造的理念最早由CHERNOV D K[85]在1878年提出,雖然經(jīng)過了長達(dá)一個多世紀(jì)的發(fā)展,但直到近年來這種工藝才真正引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注,其工業(yè)應(yīng)用范圍也主要限于日本和歐洲.

依據(jù)壓力是直接作用還是通過澆道系統(tǒng)間接作用在金屬液面上,擠壓鑄造可以分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造兩大類.[86]擠壓鑄造過程中,由于壓力的作用,凝固組織得到顯著細(xì)化,且縮孔、縮松、氣孔等宏觀鑄造缺陷得到顯著抑制,鑄造密實(shí)化效果顯著.因此,擠壓鑄造件常常表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)機(jī)械性能,某些情況下甚至可以達(dá)到鍛件水平.擠壓鑄造過程中壓力還會使得合金和模具型腔壁間的縫隙減小,從而顯著提升鑄件的表面質(zhì)量.[87]近年來,出于輕量化的要求,鎂合金越來越廣泛地應(yīng)用于航空航天和汽車領(lǐng)域,關(guān)于鎂合金擠壓鑄造的研究也成為學(xué)術(shù)熱點(diǎn),合金化及工藝參數(shù)對擠壓鑄造鎂合金組織和性能影響的研究越來越多.

Ca是一種有效提升鎂合金高溫性能和蠕變性能的合金化元素,但Ca元素的加入通常會導(dǎo)致合金的室溫力學(xué)性能出現(xiàn)一定程度的下降.ZHANG Y等人[88]采用直接擠壓鑄造方法制備了AZ91-(1-3 wt %) Ca合金,并研究了Ca含量、擠壓力和澆注溫度對組織和力學(xué)性能的影響.研究發(fā)現(xiàn),增大擠壓力可以顯著細(xì)化晶粒,進(jìn)而提升合金室溫力學(xué)性能;而澆注溫度降低到近液相線附近時,晶粒得到明顯細(xì)化且α-Mg形貌由樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)槊倒寰?合金力學(xué)性能也在近液相線處達(dá)到最佳.擠壓鑄造工藝有效地抑制了Ca元素對室溫力學(xué)性能的負(fù)面影響,且Ca含量達(dá)到2%時,合金力學(xué)性能達(dá)到最佳.

圖5　Mg-7Al-2Sn合金不同溫度和保溫時間下的光學(xué)照片

表3　充氧壓鑄與普通壓鑄鎂合金力學(xué)性能比較

GOH C S等人[89]研究了擠壓力、澆注溫度和模具溫度對擠壓鑄造AZ91-2Ca組織和力學(xué)性能的影響.與ZHANG Y等人[88]的研究結(jié)果相同的是,隨著擠壓力的提升,組織會得到明顯細(xì)化,且縮孔、氣孔等完全消失.但GOH C S等人選擇較高的澆注溫度(700 ℃,750 ℃,800 ℃)進(jìn)行了研究,并發(fā)現(xiàn)AZ91-2Ca合金在澆注溫度高于750 ℃時,隨著澆注溫度的升高晶粒尺寸反而得到細(xì)化的反?，F(xiàn)象.他們還發(fā)現(xiàn)模具溫度過低時,涂刷在模具型腔壁上的潤滑劑的汽化不完全,從而不利于熔體在模具中的充填,進(jìn)而增加了形成縮孔縮松的可能,而當(dāng)模具溫度過高時,模具型腔壁的激冷作用減弱,使得擠壓鑄造合金的組織粗化,且模具溫度過高也不利于模具使用壽命的延長,因此模具溫度過高或過低都不利于合金的組織和力學(xué)性能.

AM50也是一種常見的鑄造Mg-Al合金,壓鑄AM50合金已被廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜薄壁汽車零部件的制造.為了進(jìn)一步擴(kuò)大該合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用,開發(fā)出AM50合金的新型成型手段,ZHOU M等人[90]對擠壓鑄造AM50的組織和拉伸性能進(jìn)行了研究.通過與傳統(tǒng)的壓鑄AM50對比發(fā)現(xiàn),擠壓鑄造過程中該合金加工硬化程度更高,且壓鑄中的高氣孔率問題在擠壓鑄造中得到完全抑制,因此合金的強(qiáng)度、塑性都得到了明顯的提升.SACHDEVA D等人[91]進(jìn)一步研究了擠壓鑄造AM50合金組織與腐蝕速率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)組織中的β-Mg17Al12體積分?jǐn)?shù)較高時整個表面上腐蝕更加均勻,腐蝕速率也會隨之有所下降.ZHANG Q等人[92]在此基礎(chǔ)上向AM50合金中加入Ca并研究了擠壓力對合金組織和拉伸行為的影響.通過拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了擠壓鑄造中隨著壓力的增大,合金加工硬化程度得到提升;組織中還發(fā)現(xiàn)擠壓鑄造對密實(shí)化的提升比晶粒細(xì)化更明顯,密實(shí)化也被認(rèn)為是擠壓力增大時該合金拉伸性能提升的主要原因.

除了AZ91和AM50這些商用鎂合金,也有其他學(xué)者以AZ51和Mg-6Al等作為基體合金,加入合金元素如Ca,Sn,Ti,Cr等,并研究這些合金擠壓鑄造后的組織、力學(xué)性能及斷裂行為.MASOUMI M等人[93]研究了壓力對AZ51-1Ca組織和力學(xué)性能的影響,不同于之前學(xué)者們強(qiáng)調(diào)壓力導(dǎo)致晶粒細(xì)化進(jìn)而提升性能,他們認(rèn)為鑄造組織中密實(shí)化以及壓力下溶質(zhì)元素更多地固溶到基體中是導(dǎo)致合金力學(xué)性能提升的根本原因.KIM B等人[94]通過對擠壓鑄造AZ51-(1,3,5,7,9 wt%)Sn原位斷裂行為的觀察,發(fā)現(xiàn)Sn含量超過7%時,由于脆性第二相Mg2Sn體積分?jǐn)?shù)顯著增加,裂紋主要在第二相處萌生并沿著第二相擴(kuò)展.而當(dāng)Sn含量較低(低于5%)時,晶粒內(nèi)部孿晶發(fā)達(dá),裂紋沿晶內(nèi)擴(kuò)展,綜合力學(xué)性能和斷裂行為得出結(jié)論,當(dāng)Sn含量在3%~5%時,合金的強(qiáng)度和塑性最好.在稀土鎂合金方面,楊燕玲通過對壓力下鎂合金固溶度變化規(guī)律的研究,選定Mg-2.5Nd作為研究對象,深入研究了該低稀土鎂合金擠壓鑄造過程中在壓力作用下的凝固行為及組織演變,同時優(yōu)化出了該合金最合適的擠壓鑄造工藝參數(shù).[86]

通過近年來鎂合金擠壓鑄造的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),擠壓鑄造在改善組織上主要可以實(shí)現(xiàn)兩方面的作用,即鑄造密實(shí)化和晶粒細(xì)化.但對不同合金而言,兩者對提升力學(xué)性能的作用大小不一.目前已有的鎂合金擠壓鑄造的研究結(jié)果主要還是集中于對工藝參數(shù)的優(yōu)化上,對擠壓鑄造過程中熔體的溫度場、濃度場以及凝固行為還缺乏探討.研究的合金也主要以Mg-Al系為主,對Mg-RE系合金及其他耐熱、高強(qiáng)鎂合金的研究較少.此外,半固態(tài)擠壓鑄造已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于鋁合金科學(xué)研究甚至實(shí)際生產(chǎn)中,但關(guān)于半固態(tài)擠壓鑄造鎂合金的研究很少.今后的實(shí)驗(yàn)研究中需要進(jìn)一步擴(kuò)展研究的合金類型,并可以通過數(shù)值模擬配合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式對擠壓鑄造中的凝固行為及機(jī)理性問題做更深入的探討,同時還可以進(jìn)一步開展鎂合金半固態(tài)擠壓鑄造的研究.

3.3　鎂合金消失模鑄造

消失模鑄造(LFC)又稱實(shí)型鑄造,是采用與所需鑄件尺寸形狀相同的泡沫塑料模樣代替普通模樣緊實(shí)造型,造好鑄型后不取出模樣,而是直接澆入金屬液,泡沫塑料模樣在高溫金屬液的作用下氣化而消失,金屬液取代原來泡沫塑料模樣占據(jù)的空間位置,冷卻凝固后即獲得所需鑄件的鑄造新工藝,被稱為是“21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”和“鑄造中的綠色工程”.[95-96]與其他鑄造工藝相比,消失模鑄造具有尺寸精度高、生產(chǎn)工序簡單、生產(chǎn)率高、表面粗糙度低等優(yōu)點(diǎn).在我國,黑色金屬消失模鑄造生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入成熟期,已在汽車發(fā)動機(jī)缸體、電機(jī)殼體等復(fù)雜零件的鑄造中獲得廣泛應(yīng)用,鋁合金消失模鑄造生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大中,而鎂合金消失模鑄造則處于探索階段,生產(chǎn)應(yīng)用很少.這主要是因?yàn)橐环矫骀V合金消失模鑄造時,泡沫模樣的熱解氣化將吸收大量的熱量,導(dǎo)致合金流動前沿溫度低,從而降低合金的充型能力,最終導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生.另一方面就是鎂合金消失模的澆注溫度達(dá)750~780 ℃,在此溫度下,鎂合金會發(fā)生嚴(yán)重氧化和燒損.為了克服上述缺陷,人們研究開發(fā)了幾種特種消失模技術(shù),主要有真空低壓消失模技術(shù)、壓力消失模鑄造技術(shù)、振動消失模鑄造技術(shù)及殼型消失模鑄造技術(shù),這些技術(shù)目前都在不斷地完善改進(jìn)中.LIU Z L等人[97]研究了真空度、澆注溫度和模樣厚度等參數(shù)對AZ91鎂合金消失模鑄造的傳熱特征的影響規(guī)律,得出真空度對鑄件凝固時間的影響主要在于澆注溫度,在澆注溫度較高時,真空度會使凝固時間增加很多,而澆注溫度較低時,真空會略微降低凝固時間.蔣文明[98]結(jié)合多項(xiàng)精密鑄造技術(shù),開發(fā)出鎂合金真空低壓消失模殼型鑄造新技術(shù),采用高密度、高精度及表面光整的泡沫模樣做母模,然后經(jīng)過一定工序后制成陶瓷殼型,再結(jié)合真空消失模鑄造可獲得薄壁復(fù)雜精密鑄件.

3.4　鎂合金半固態(tài)成型

半固態(tài)加工成型技術(shù)是20世紀(jì)70年代美國麻省理工學(xué)院的FIEMINGS M C教授等人提出的一種新的金屬成型方法,[99]該方法是在金屬凝固過程中,進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌,使普通鑄造易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)被打碎,得到一種液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定顆粒狀固相組分的固-液混合漿料,采用這種既非液態(tài)、又非完全固態(tài)的金屬漿料進(jìn)行加工成型.半固態(tài)成型工藝主要有以下優(yōu)點(diǎn):[100]一是尺寸精度高,由于半固態(tài)漿料的凝固度縮小,鑄件的尺寸精度高,大大減少了機(jī)械加工量,可生產(chǎn)薄壁零件,實(shí)現(xiàn)精密成型.二是鑄件力學(xué)性能優(yōu)異,半固態(tài)鑄件的組織一般為細(xì)小的等軸晶,消除了傳統(tǒng)鑄件中的粗大樹枝晶或柱狀晶,減少了鑄件內(nèi)部的氣孔、疏松、偏析等缺陷;三是成型溫度低,對模具熱沖擊小,模具使用壽命長.根據(jù)工藝流程不同,可分為觸變成型和流變成型兩種.

3.4.1觸變成型

觸變注射成型是目前唯一用于鎂合金工業(yè)生產(chǎn)的半固態(tài)成型技術(shù),該方法是由美國DOW化學(xué)公司于20世紀(jì)70年代中期發(fā)明的,并由Thixomat公司實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn).該技術(shù)以顆粒狀鎂合金原材料為原料,采用了塑料注射成型方法和原理,已經(jīng)成功用于AZ91D,AM60,AM50等鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn).[100]觸變注射成型機(jī)原理如圖6所示.[101-102]其優(yōu)點(diǎn)是:不同于流變、觸變成型,注射成型將漿料制備與零件成型一次完成,工藝過程簡單.與壓鑄成型技術(shù)相比,鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)的缺陷是:裝備昂貴,維護(hù)較困難,成型零件相對較小;鑄件生產(chǎn)周期較長,產(chǎn)量較低;該技術(shù)尚在專利保護(hù)期內(nèi)(美國的Dow Chemical Co.所擁有),專利支付費(fèi)用較高.

圖6　觸變注射成型機(jī)原理示意

近年來,隨著半固態(tài)成型技術(shù)在鋁合金中的應(yīng)用越來越廣,鎂合金半固態(tài)加工的研究也有長足的進(jìn)步.在觸變成型方面,有些研究人員應(yīng)用等徑角擠壓方法制備了AZ91D,AM60,AZ61合金半固態(tài)坯料,并研究了工藝參數(shù)對半固態(tài)組織的影響及局部重熔過程中微觀組織的演變機(jī)制,結(jié)果表明,鎂合金經(jīng)過等徑角擠壓預(yù)變形、局部重熔后，能夠得到較為理想的半固態(tài)坯料,隨著等溫溫度的提高,坯料固相率降低，固相顆粒粗化和球化速率提高,隨著等溫時間的增加,坯料固相率逐漸降低、固相顆粒尺寸增加.[103-106]CHEN Q等人[107]通過擠壓鑄造和固態(tài)擠壓相結(jié)合的方式,開發(fā)了一種半固態(tài)觸變坯料制備的新路線,如圖7所示.[107]

圖7　擠壓鑄造-固態(tài)擠壓半固態(tài)坯料制備示意

ZHANG Q Q等人、[108]WANG J G等人[109]應(yīng)用壓縮變形應(yīng)變誘發(fā)方法制備了AZ91D合金半固態(tài)坯料,分別研究了非均勻預(yù)變形和原始鑄態(tài)組織對坯料半固態(tài)組織的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)受拉應(yīng)力的中等變形區(qū)比經(jīng)受壓應(yīng)力的易變形區(qū)形核更快、更充分,經(jīng)過一定時間的等溫處理后,由于不均勻變形而引起的半固態(tài)組織的不均勻程度減小,合金原始鑄態(tài)枝晶組織越細(xì)小,應(yīng)變誘發(fā)得到的半固態(tài)組織中固相顆粒尺寸越小、分布越均勻.CHEN T J等人[110-111]分別應(yīng)用MgCO3和SiC細(xì)化AM60B及AZ91D合金,并通過局部重熔制備鎂合金半固態(tài)觸變成型坯料.

3.4.2流變成型

在流變成型方面,GUAN R G等人[112]在連續(xù)鑄擠的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了輥靴式鎂合金連續(xù)流變成型實(shí)驗(yàn)機(jī),如圖8所示,[112]并研究了Mg-3Sn-1Mn (wt%)合金在輥靴型腔中的組織變化.結(jié)果表明,強(qiáng)烈冷卻和剪切效應(yīng)促進(jìn)合金形核并打碎枝晶,從而獲得具有細(xì)小球狀或玫瑰狀初生相的鎂合金軋板.

YANG L Q等人[113-114]采用自行研制的錐筒式流變成型機(jī)制備了AZ91D合金半固態(tài)漿料,如圖9所示,[113]并與壓鑄機(jī)結(jié)合研究了半固態(tài)鎂合金流變壓鑄組織和力學(xué)性能.

ZHANG X L等人[115-116]利用近液相線等溫處理與旋轉(zhuǎn)磁場攪拌結(jié)合的方法制備了AZ91合金流變漿料;ZHANG L等人[117]應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的超聲振動裝置制備了AZ91半固態(tài)漿料,如圖10所示,并研究了冷卻條件對漿料半固態(tài)組織的影響.結(jié)果表明,在形核溫度區(qū)間內(nèi)施加超聲振動,能夠獲得具有細(xì)小、近球狀固相顆粒的半固態(tài)漿料,試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.[117]在相同的超聲溫度區(qū)間內(nèi),隨著冷卻速率的提高,半固態(tài)漿料的固相率增加,固相顆粒平均形狀因子降低.

圖8　鎂合金連續(xù)流變成型實(shí)驗(yàn)機(jī)示意

注:1—升降機(jī)構(gòu);2—調(diào)速電機(jī);3—心軸;4—?dú)鍤馔ǖ?5—?dú)鍤馔ǖ?6—澆注口;7—保溫蓋;8—內(nèi)錐桶;9—外錐桶;10—加熱元件;11—冷卻通道;12—保溫桶;13—漿料輸送裝置;14—壓鑄型腔;15—導(dǎo)柱.

圖9錐桶式流變成形裝置示意

在半固態(tài)成型用鎂合金成分設(shè)計(jì)方面,NAMI B等人[118-119]設(shè)計(jì)了成分為AZ91 + 1RE + 1.2Ca的鎂合金,并通過應(yīng)變誘發(fā)法(SIMA)制備半固態(tài)坯料,研究了富La混合稀土和Ca元素對AZ91合金半固態(tài)組織和觸變成型后蠕變性能的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn),稀土與Ca元素的添加降低了固相顆粒的粗化速率,同時觸變成型后合金的抗蠕變性能得到提高.

圖10　試驗(yàn)裝置示意

圖11　超聲振動對AZ91半固態(tài)漿料

YANG M B等人[120]應(yīng)用等溫?zé)崽幚矸ㄖ苽淞薢A84和AZ61-0.7Si-0.4Sb合金半固態(tài)坯料,并研究了等溫?zé)崽幚碇械慕M織演變過程,結(jié)果表明,ZA84合金經(jīng)等溫?zé)崽幚砗竽軌颢@得較好的半固態(tài)組織,Sb元素的加入能夠促進(jìn)AZ61-0.7Si合金的非枝晶轉(zhuǎn)變.ZHANG L等人[121]提高了Mg-Al合金中的Al含量,設(shè)計(jì)出Mg-13Al-xCa合金,通過直接等溫處理法制備了半固態(tài)坯料,并探討了Ca元素對半固態(tài)組織的影響,研究發(fā)現(xiàn),提高合金中的Al含量可以達(dá)到不作細(xì)化處理而直接等溫獲得較好半固態(tài)組織的目的,Ca元素的加入改變了合金原始鑄態(tài)組織,進(jìn)而改變了等溫?zé)崽幚砗蟮陌牍虘B(tài)組織.

可見,目前鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)的研究主要集中在半固態(tài)漿料或坯料制備、二次加熱過程中非枝晶組織轉(zhuǎn)變和半固態(tài)成型鎂合金成分設(shè)計(jì)等方面,對半固態(tài)漿料成型及后續(xù)性能的研究較少.同時,流變成型技術(shù)以其生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)逐步取代觸變成型而占據(jù)主導(dǎo)地位.

4結(jié)語

我國的鎂資源十分豐富,但是在鎂合金液態(tài)精密成型方面相比國外還有一定的差距,尤其在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步提高.目前,國內(nèi)民用鎂合金產(chǎn)品大多采用傳統(tǒng)的高壓壓鑄,對鎂合金新型精密成型技術(shù)應(yīng)用很少;在鎂合金成型設(shè)備方面,缺少自主研發(fā)的鎂合金專用液態(tài)精密成型裝備.同時,國內(nèi)企業(yè)缺乏對鎂合金產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力,多數(shù)零件都是效仿國外同類產(chǎn)品,這些都嚴(yán)重限制了鎂合金的發(fā)展和應(yīng)用.因此,我們亟需整合高校、科研院所的基礎(chǔ)研究優(yōu)勢和企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢,加快我國鎂合金液態(tài)精密成型技術(shù)和成型產(chǎn)品的研究和開發(fā),推動我國鎂產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展.

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