基于數(shù)值模擬的鎂合金研究發(fā)展現(xiàn)狀

王飛，馬明亮，郭純

（1.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100；2.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471000）

鎂合金在當(dāng)今世界的應(yīng)用是十分多的，它所具有的獨(dú)特性也使得它成功地登上了世界的大舞臺(tái)，改變了我們世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變。

1 鎂合金

1.1 鎂

鎂在我們地球中的含量約占2%的質(zhì)量。鎂的顏色為銀白色，粉末狀，熔點(diǎn)較高，有649℃，且質(zhì)量十分的輕，密度只有1.74g/m3，僅有銅密度的1/4。鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，所以經(jīng)常被用來(lái)作還原劑。由于世界環(huán)境的問(wèn)題，目前節(jié)能、環(huán)保之類(lèi)的概念在全球范圍內(nèi)都是非常熱門(mén)的話題，鎂金屬憑借著其密度小等優(yōu)異的特性，被應(yīng)用于諸多鎂合金產(chǎn)業(yè)中，鎂合金產(chǎn)業(yè)也迅猛發(fā)展。目前，冶煉鎂金屬可以用兩種方式：（1）從尖晶石、鹵水或海水中將含有氯化鎂的溶液經(jīng)脫水或焙融氯化鎂熔體，之后進(jìn)行電解，此法稱(chēng)為電解法；（2）通過(guò)硅鐵對(duì)煅燒碳酸鹽所產(chǎn)生的氧化鎂進(jìn)行熱還原，這種方法稱(chēng)為熱還原法(皮江法)。

1.2 鎂合金

鎂合金是用鎂和其他元素相融合所產(chǎn)生的具有優(yōu)良特性的合金。經(jīng)常與鎂合金搭配使用的合金元素有Al、Zn、稀土金屬元素、Li、Ag、Zr、Th、Mn及微量Ni等。鎂及鎂的合金極其容易被氧化，所以需要在表面進(jìn)行一些特殊的處理，以保證鎂及鎂合金的性質(zhì)。

化學(xué)轉(zhuǎn)化處理：是被經(jīng)常用到的鎂合金表面改性技術(shù)的其中一種，它是通過(guò)一種處理液，使之與鎂合金材料構(gòu)件進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在材料構(gòu)件的表面產(chǎn)生一層保護(hù)膜，來(lái)保護(hù)鎂合金不和其他物質(zhì)反應(yīng)，這種處理的方法簡(jiǎn)單，而且成本不高，不需要太多的機(jī)器設(shè)備。但其缺點(diǎn)也很明顯，這個(gè)方法形成的保護(hù)膜一旦受到破壞，便極其容易損壞，所以只能起到減緩的作用，不適合長(zhǎng)期的使用。

絡(luò)化處理：目前，該領(lǐng)域應(yīng)用的最廣泛的一種方法，相對(duì)應(yīng)的這種技術(shù)也是較為成熟的一種。這種技術(shù)使用絡(luò)鹽酸對(duì)材料進(jìn)行處理，使材料實(shí)現(xiàn)化學(xué)方面的轉(zhuǎn)化處理。它的原理是通過(guò)溶液使鎂合金中的鎂原子溶于溶液，同時(shí)，通過(guò)與溶液中的離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在鎂合金的表面，沉積一層絡(luò)鹽酸和其他成分的氧化膜來(lái)保護(hù)鎂合金不受腐蝕。其特點(diǎn)是可以通過(guò)水膨脹的方式進(jìn)行自我修復(fù)。但是，同樣的，它也具有與化學(xué)處理相同的問(wèn)題，保護(hù)膜太過(guò)容易受到破壞，不能長(zhǎng)期使用。

磷化處理：是現(xiàn)階段發(fā)展迅速的一種新的表面處理技術(shù)，它會(huì)在將來(lái)代替絡(luò)化的工作，成為主要的表面改性方法。它與絡(luò)化和化學(xué)轉(zhuǎn)化的最大區(qū)別就在于其所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化膜會(huì)結(jié)合得十分牢固，非常耐腐蝕且不容易被破壞，但是，也不適合長(zhǎng)期防護(hù)。同時(shí)，這種方式具有毒性和對(duì)大自然的污染。所以，在鎂合金的表面改性方面對(duì)新技術(shù)的需求還是較為迫切的。

1.3 鎂合金的發(fā)展

1927年，一種具有高強(qiáng)度性質(zhì)的鎂合金MgAI9Zn，被首次研發(fā)出來(lái)，這是鎂合金發(fā)展過(guò)程中上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。隨后，鎂合金被使用在汽車(chē)零件上，更是被應(yīng)用于飛機(jī)上。從這以后，鎂就開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于世界。由于歷史原因，我國(guó)的鎂工業(yè)起步較晚，但是，也取得了一些新的科研成功并加以利用和推廣。并且伴隨著我國(guó)合金技術(shù)的快速發(fā)展和鎂合金加工技術(shù)的極大改善，鎂合金逐步地占據(jù)了合金市場(chǎng)的一角。尤其是加入一些新的元素后，克服了大量的缺點(diǎn)，極大地促進(jìn)了鎂合金這一行業(yè)的發(fā)展。

1.4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬可以等價(jià)為使用計(jì)算機(jī)完成實(shí)驗(yàn)。比如，需要計(jì)算某一特定機(jī)翼的繞流數(shù)據(jù)，我們?cè)诶糜?jì)算機(jī)計(jì)算后，將結(jié)果輸出到顯示屏上，我們就可以觀察到流場(chǎng)的那些細(xì)微之處：如激波是否存在，它的位置、強(qiáng)度、以及流動(dòng)的分離、表面壓力的分布、受力的大小以及其隨時(shí)間的改變等。所以數(shù)值模擬能夠真實(shí)地體現(xiàn)出流場(chǎng)，而且與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)相比較，并沒(méi)有多少差別。與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值模擬具有大量的優(yōu)點(diǎn)，且易實(shí)行。2005年，張先宏登利用數(shù)值模擬對(duì)AZ31鎂合金壓縮和擠壓過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變和溫度場(chǎng)實(shí)行模擬，并取得了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，具有極大的作用。在實(shí)際生活中，實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和時(shí)間只占據(jù)了我們的一小部分，由于場(chǎng)地、材料和各種各樣的原因，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程并不是一帆風(fēng)順的。而數(shù)值模擬的好處就可以體現(xiàn)出來(lái)，它并不太受場(chǎng)地的影響，也不會(huì)有什么安全問(wèn)題，更不會(huì)因?yàn)槭裁床僮鞫鴮?dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失敗，還可以加大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和掌控計(jì)算機(jī)的能力。

2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)Mg系列合金進(jìn)行了探索和研究，探討新的材料的性能。在80年代初，由我國(guó)北京航空材料研究所研制的九種鑄造鎂合金被大量的使用在國(guó)內(nèi)的各項(xiàng)工業(yè)上，其中的ZM3合金更是用于國(guó)防工業(yè)。在隨后的時(shí)間里，稀土金屬受到了廣泛的關(guān)注和重視，在1980年的ZM9就是其代表產(chǎn)物。ZM9的功能性更是與釷合金HZ32A沒(méi)有太大差別，而且其不會(huì)像HZ32A那樣具有放射性，也填補(bǔ)了我國(guó)在300℃鎂合金領(lǐng)域的空缺。其同時(shí)代的ZM6合金，也被國(guó)外所采納，我們所依靠的進(jìn)口也被其所結(jié)束，實(shí)現(xiàn)了基本的自給自足。在那個(gè)年代，我們國(guó)家所展現(xiàn)出來(lái)的科研實(shí)力也被世界所認(rèn)可，研究成果也都被大量應(yīng)用于航空、汽車(chē)領(lǐng)域。

3 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外鎂合金的發(fā)展可以以前蘇聯(lián)、日本、歐美為代表。前蘇聯(lián)在為航天領(lǐng)域的探索所努力，他們對(duì)鎂釔合金做了大量的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)摻雜10%Y的鎂合金能夠在低于260℃的環(huán)境中正常使用。摻雜9%的Y，1%Zn的鎂合金會(huì)表現(xiàn)出極高的耐熱性以及抗腐蝕性。與我們國(guó)家的所研發(fā)的稀土釷鎂合金相比，其具有極高的耐熱性，且不具有放射性。歐美國(guó)家的汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域正在快速地進(jìn)展，他們已經(jīng)開(kāi)始探索耐熱鎂合金的大規(guī)模生產(chǎn)。AS41鎂合金就是其第一件產(chǎn)物，生產(chǎn)AS41需要采用高壓鑄造來(lái)實(shí)現(xiàn)，加入0.1%的Ca能夠加強(qiáng)合金的極限抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。然后，其后系列的AS42鎂合金也被研發(fā)出來(lái)，應(yīng)用于汽車(chē)零件。英國(guó)則在對(duì)鎂-釔-釹基合金發(fā)起了大量的探究，隨后，則研究成功了WE型鎂合金，該合金在性能方面已經(jīng)可以和鑄造類(lèi)鋁合金相等。日本由于地理位置等原因，一直重視著新材料的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出了一系列的研究成果，并于1994年提出Mg-Al-Ca-Mn新的思路。

4 發(fā)展前景

鎂和鎂合金是目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ妮p型材料之一，具有極大的發(fā)展前景，鎂合金在各行各業(yè)的應(yīng)用也在不斷增加。而我國(guó)的鎂含量占世界的1/4左右，我們占據(jù)著極大的資源，其未來(lái)前景十分廣泛，但是，由于我國(guó)在鎂合金的相關(guān)領(lǐng)域中缺少必要的研究，我國(guó)距離鎂合金的大規(guī)模應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走，且大多數(shù)為廉價(jià)的初級(jí)加工產(chǎn)品，所含的技術(shù)并不多。所以，未來(lái)我國(guó)的鎂合金的市場(chǎng)是十分廣泛的，只要能夠合理地開(kāi)發(fā)，其所蘊(yùn)含的價(jià)值會(huì)回饋到我們的國(guó)家，改善我們的生活。