鎂合金新材料及制備加工新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

候正全，蔣 斌，王煜燁，4，宋江鳳，肖 旅，4，潘復(fù)生

（1.上海航天精密機械研究所，上海 201600；2.重慶大學(xué) 國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044；3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；4.上海金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，上海 201600）

0 引言

鎂合金是目前工程實際應(yīng)用中最輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強度和比剛度，此外其電磁屏蔽能力、阻尼減振性、散熱導(dǎo)熱性以及壓鑄加工性都較優(yōu)，兼具可再生、綠色環(huán)保的特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、國防軍事、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。特別在航空航天領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品及構(gòu)件在減小相同質(zhì)量下可帶來的遠(yuǎn)高于汽車產(chǎn)品的經(jīng)濟效益，可改善機動性能并提升戰(zhàn)技指標(biāo)，因此，對結(jié)構(gòu)輕量化的需求更為迫切。

開發(fā)新型高性能鎂合金材料與鎂合金加工技術(shù)，可助力以航空航天領(lǐng)域為代表的多個工業(yè)門類實現(xiàn)產(chǎn)品裝備輕量化。本文從新型高性能鎂合金材料的進(jìn)展入手，介紹了高強度與高塑性鎂合金材料的研發(fā)現(xiàn)狀和鎂合金材料設(shè)計新方法；同時介紹了以熔體處理、鑄造成形和塑性加工為主的鎂合金制備加工新技術(shù)，回顧了鎂合金在多個工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用現(xiàn)狀；最后對鎂合金的應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 鎂合金新材料發(fā)展

1.1 高強度鎂合金

鎂合金的強韌化是當(dāng)前的研究熱點和發(fā)展方向，特別對于高強度鎂合金實現(xiàn)“以鎂代鋁”具有重要現(xiàn)實意義。稀土元素在鎂合金鑄造過程中可改善合金熔體質(zhì)量，同時也具備固溶強化、細(xì)晶強化、彌散強化等效果，因此，對鎂合金進(jìn)行稀土合金化以提升強韌性是當(dāng)前研究熱點之一。

國內(nèi)外對稀土高強鎂合金進(jìn)行了大量研究，并在軍工、航空航天等領(lǐng)域上已得到廣泛應(yīng)用。在高強稀土鑄造鎂合金方面，上海交通大學(xué)研制的JDM4 在T6 態(tài)抗拉強度≥380 MPa，屈服強度≥300 MPa，延伸率≥2%。中南大學(xué)研制的Mg-YNd-Zn-Zr 系合金，其常溫抗拉強度可達(dá)330 MPa，延伸率可達(dá)6.5%。重慶大學(xué)潘復(fù)生團隊開發(fā)的新型Mg-Gd-Y 系鎂合金，其性能如表1、表2 和圖1 所示。該合金在重力金屬型鑄造或低壓砂型鑄造下都擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，兼具較好的疲勞性能和優(yōu)于WE43 合金的流動性，可用于替代現(xiàn)有航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的WE43A 鎂合金。

表1 鑄造VW92 合金在不同狀態(tài)下的室溫拉伸性能Tab.1 Tensile properties of cast VW92 alloy under different state at room temperature

表2 鑄造VW92 合金在不同溫度下的高溫拉伸性能Tab.2 Tensile properties of cast VW92 alloy at elevated temperature

圖1 鑄造VW92 合金不同時效時間下的室溫拉伸性能Fig.1 Room temperature tensile properties of cast VW92 alloy under different aging time

國內(nèi)高校及研究機構(gòu)開發(fā)的鑄造鎂稀土合金力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異，但其制備方式多以快速冷卻介質(zhì)與實驗室級小熔煉量為主，難以適用于工程化應(yīng)用。以航天領(lǐng)域中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件為例，具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且生產(chǎn)時間緊的特點，對此，上海航天精密機械研究所近年來開展了鎂合金大規(guī)格復(fù)雜構(gòu)件的工程化應(yīng)用研究，研制的高性能耐熱鑄造鎂合金VW63Z 在大熔煉量、砂型慢冷的工程應(yīng)用條件下，實現(xiàn)了VW63Z 鎂合金在高力學(xué)性能要求飛行器上的批量工程應(yīng)用，滿足鑄件本體室溫抗拉強度≥300 MPa、高溫抗拉強度≥280 MPa 等指標(biāo)，填補了國內(nèi)外室溫到200 ℃服役的主承力構(gòu)件用高性能鑄造鎂合金空白［1］。

目前新型高強韌稀土變形鎂合金力學(xué)性能優(yōu)異，已逼近2XXX 系列硬鋁。上海交通大學(xué)采用相對較低的擠壓溫度制備的Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr 鎂合金，其時效后抗拉強度可達(dá)524 MPa，認(rèn)為采用較低溫擠壓可使合金具備雙峰組織，以獲得很高的拉伸強度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過對Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr 的熱處理工藝優(yōu)化，認(rèn)為均勻化處理后的冷卻速率顯著影響了該合金的微觀組織和力學(xué)性能，經(jīng)水冷+擠壓+時效處理后該合金室溫抗拉強度可達(dá)520 MPa，延伸率可達(dá)10.6%。重慶大學(xué)重點關(guān)注了含Mn 的Mg-Gd-Y 系高強度變形鎂合金，通過對Mg-8.3Gd-4.2Y-1.4Zn-1.1Mn 系合金的時效行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在時效過程中出現(xiàn)的峰值硬化平臺范圍內(nèi)，鎂合金的強度和塑性會同時提升，該合金經(jīng)時效處理后抗拉強度可達(dá)538 MPa。近年來開發(fā)的高強度含稀土的鑄造鎂合金及變形鎂合金主要力學(xué)性能見表3。

表3 高強度鎂合金力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of high-strength magnesium alloys

1.2 高塑性鎂合金

常用鎂合金室溫塑性變形能力較差，在塑性加工過程中需多次加熱和中間退火，導(dǎo)致加工工序長，成品率低，綜合成本較高。近年來，在新型鎂合金研發(fā)方面，開始重點關(guān)注在保持鎂合金強度前提下，提高其加工塑性的合金設(shè)計方法和新型加工工藝。

高塑性鎂合金一般指延伸率＞10%的鑄造鎂合金和延伸率＞15%的變形鎂合金，目前，公開報道中具備高塑性的鎂合金材料及相關(guān)性能見表4。

表4 高塑性鎂合金工藝狀態(tài)及性能Tab.4 Process state and properties of high-plasticity magnesium alloys

高塑性鎂合金板材是變形鎂合金發(fā)展的重點，常用鎂合金板材加工工藝為對稱變形和均勻應(yīng)變，極易形成強烈（0002）基面織構(gòu)，導(dǎo)致成形性降低。近來諸多高塑性鎂合金加工新工藝和新方法被用于鎂合金板材織構(gòu)控制，包括預(yù)變形工藝、異步軋制工藝、單向彎曲工藝和等通道軋制等。在板材制備加工過程中引入非均勻應(yīng)變，弱化鎂合金板材的強基面織構(gòu)，但這類工藝成本較高。重慶大學(xué)潘復(fù)生團隊發(fā)展了鎂合金新型非對稱加工技術(shù)［2-6］，該技術(shù)改善了鎂合金板材的織構(gòu)分布，弱化了基面織構(gòu)，提高板材后續(xù)的塑性成形能力，是一種低成本的基面織構(gòu)弱化的新方法，目前已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

對于高塑性鎂合金材料設(shè)計，近年來重慶大學(xué)國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心（以下簡稱“鎂中心”）開發(fā)出以VW84M 和VK41M 為代表的兼具高塑性的高性能鎂合金體系，其中，VW84M 超高強度鎂合金抗拉強度可達(dá)538 MPa，延伸率可達(dá)13%，VK41M 超高塑性鎂合金延伸率可達(dá)69%，均是目前綜合性能最好的鎂合金材料。

2 鎂合金材料設(shè)計新方法

在新型鎂合金開發(fā)方面，眾多研究者為解決材料強度與塑性之間的矛盾，在鎂合金強韌化機制與理論上做了大量探究，研究熱點和重點在于尋求新的合金設(shè)計方法，實現(xiàn)鎂合金在強度提升的同時不損害塑性，或保證塑性的前提下不降低強度。研究主要聚焦于兩大方向：1）關(guān)注合金元素對鎂合金本征參數(shù)和微觀變形行為的影響；2）重點研究基面滑移與非基面滑移的協(xié)同。

WU 等［7］采用密度泛函理論計算了多種固溶原子隨成分變化的錐面〈c+a〉位錯平均能量差（如圖2 所示），提出一種預(yù)測鎂合金是否具備優(yōu)良塑性的思路，認(rèn)為增加〈c+a〉位錯在錐面之間的交滑移速率，或降低其從錐面向柱面的轉(zhuǎn)變速率，都有利于改善鎂合金的塑性。

圖2 固溶原子對錐面位錯能量差的影響［7］Fig.2 Effects of solutes on pyramidal dislocation energy difference［7］

重慶大學(xué)潘復(fù)生團隊發(fā)現(xiàn)某些特定固溶合金元素在鎂中既能阻礙基面位錯滑移以增加強度，又能減低基面與非基面之間滑移阻力差異以激活非基面滑移，可達(dá)到強度和塑性同時提升的目的。據(jù)此提出鎂合金材料設(shè)計新理論——固溶強化增塑（Solid Solution Strengthening and Ductilizing，SSSD），通過縮小鎂合金中基面與非基面滑移之間的阻力差，促使非基面滑移開動從而提高塑性，為解決鎂合金塑性和強度之間矛盾開拓了新視野，并將該理論應(yīng)用于開發(fā)新型高性能高塑性鎂合金。

已開發(fā)的超高強高塑性變形鎂合金［8］、高塑性含錳鎂合金［9］、高強度高塑性鑄造鎂合金［10］、超高塑性鎂合金［11］的拉伸力學(xué)性能曲線如圖3 所示，部分新型高塑性高性能鎂合金及相關(guān)性能見表5［6］。上述新型高性能鎂合金目前已有16 種已獲批成為國家標(biāo)準(zhǔn)牌號［12-13］，有9 種已獲批為國際標(biāo)準(zhǔn)牌號［14］，為鎂合金應(yīng)用奠定了堅實的材料體系基礎(chǔ)。

表5 重慶大學(xué)開發(fā)的部分新型高性能鎂合金［6］Tab.5 Some new high-performance magnesium alloys developed by Chongqing University［6］

圖3 高性能鎂合金的拉伸力學(xué)性能Fig.3 Tensile mechanical properties of high performance magnesium alloys

3 鎂合金制備加工新技術(shù)

3.1 鎂合金熔體處理技術(shù)

熔體質(zhì)量是決定鎂合金性能的關(guān)鍵因素之一，對后續(xù)加工的鑄造鎂合金和變形鎂合金產(chǎn)品的質(zhì)量都有很大影響。鎂合金中根據(jù)夾雜成分與結(jié)構(gòu)的不同，可將夾雜大致分為金屬類與非金屬類夾雜［15］。為除去鎂合金中的雜質(zhì)，當(dāng)前采用的主要方法有熔劑凈化法和非熔劑凈化法，此外，各種精煉方法的組合可優(yōu)勢互補形成復(fù)合凈化法。

3.1.1 熔劑凈化法

熔劑凈化法主要根據(jù)熔劑、鎂熔體及夾雜三者之間具有不同界面張力的原理實現(xiàn)凈化［16-17］。吳國華 等［18］、SCHARF 等［19］、KHAN等［20］研究發(fā)現(xiàn)Mn-Cl2具有良好的除鐵效果，只有優(yōu)化熔體中的鐵錳比才能使鎂合金中鐵含量大幅降低，提高凈化效果。翟春泉等［21］成功研制了JDMJ 和JDMF 鎂合金熔劑專利產(chǎn)品，其中的發(fā)泡劑顯著增加了熔劑比表面積，提升了熔劑吸附氧化夾雜的效果和精煉能力。熔劑凈化法雖然取得了一定進(jìn)步，但存在易產(chǎn)生二次污染且純化效果不理想的問題，尤其在制備Fe、Si 含量要求嚴(yán)格的合金時，熔劑處理難以滿足要求，此外熔體所需溫度較高，合金元素?zé)龘p嚴(yán)重。

近年來有研究關(guān)注于添加稀土的熔劑凈化法，獲得針對稀土鎂合金的專用熔劑，在提高凈化效果的同時，也能提高鎂合金的綜合性能，并減少稀土元素?zé)龘p。ZHENG 等［22］在GW103K 熔體中加入約2.5%GdCl3后，稀土元素的損耗減少，非金屬夾雜物的去除率得到明顯提高，與不添加GdCl3相比，合金的抗拉強度、延伸率和腐蝕性能也得到提高。但稀土化合物的添加量與鎂合金中稀土元素的損耗率并不具備反比關(guān)系，過量的添加稀土元素會導(dǎo)致熔劑夾雜物的形成，降低鎂合金的綜合性能［23］。熔劑凈化法雖然具備操作簡單、低成本、工藝成熟等優(yōu)勢，但其應(yīng)用領(lǐng)域主要為在較初階的熔煉，當(dāng)鎂合金中含有大量的夾雜物時，與非熔劑凈化法相比不具備明顯優(yōu)勢。

3.1.2 非熔劑凈化法

過濾凈化法是目前應(yīng)用最廣泛的非熔劑凈化法之一，在澆鑄時采用過濾裝置基于機械攔截、濾餅機制和深層吸附等機理實現(xiàn)熔體純凈化。過濾法可過濾絕大多數(shù)粗大夾雜物，有利于減少顯微縮孔，具有良好的純凈化效果，且無污染并容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)鎂合金鑄造工藝常用沖孔鐵片、鋼絲棉、多層編織鋼絲網(wǎng)等進(jìn)行鎂合金熔體凈化除雜，但這類過濾介質(zhì)無法吸附十幾微米以下細(xì)小夾雜物，難以清除熔體中的熔劑［20］。泡沫陶瓷過濾法是目前常用的凈化方法，但其捕捉顆粒的能力主要取決于夾雜物顆粒類型、熔液特性、溫度、濾網(wǎng)特性等因素，且過濾壽命較短，在大容量鎂熔體長時間連續(xù)過濾時并不具備優(yōu)勢［24］。

重慶大學(xué)國家鎂中心基于雜質(zhì)Fe 在鎂熔體中的溶解度隨溫度降低而顯著下降的現(xiàn)象，開發(fā)了熔體變溫自純化工藝（如圖4 所示），利用變溫處理可實現(xiàn)雜質(zhì)在液相中定向遷移和有效沉降，實現(xiàn)深度純化熔體，尤其對雜質(zhì)Fe 除雜效果明顯。研究表明，變溫處理后AZ31、AM60 和AZ61鎂合金的Fe雜質(zhì)含量分別降低至15×10?6、15×10?6和10×10?6，ZK60鎂合金的Fe雜質(zhì)含量甚至降低至5×10?6以下，是迄今公開報道中鎂合金最低的Fe 雜質(zhì)含量［25］。另外，該處理工藝對新型Mg-Gd-Y-Zn-Zr鎂合金也有很好的純化效果，有害雜質(zhì)Fe 可降低至10×10?6，大幅提升了合金冶金質(zhì)量。純化處理后，鎂合金的耐蝕性能大幅度改善［26-28］。過濾凈化法操作簡單，除雜效果突出，但對過濾器具有較強的依賴性，開發(fā)清潔可重復(fù)使用的過濾器是該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

圖4 鎂合金熔體變溫自純化過程Fig.4 Self-purification process of magnesium alloys melt with variable temperature

結(jié)合各種凈化法的優(yōu)勢形成的復(fù)合凈化法也是近來研究熱點之一。MEI 等［29］利用熔劑凈化法與旋轉(zhuǎn)噴吹氬氣相結(jié)合的方法凈化了Mg-10Gd-3Y-0.5Zr 熔體，除雜效果明顯，且合金的抗拉強度和斷裂延伸率分別由245 MPa和0.7%提升到312 MPa和4.5%，與熔劑凈化法相比較，熔劑的使用量也大幅減少。LUO 等［30］結(jié)合氣體保護、熔劑凈化、吹氣凈化、電磁凈化于一體開發(fā)了一項鎂合金精煉技術(shù)，不僅可以減少夾雜物，還能減少偏析、細(xì)化晶粒并提高力學(xué)性能。

3.2 鎂合金鑄造工藝

鑄造是鎂合金工程化應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛和成熟的加工工藝，提高鎂合金鑄件質(zhì)量可拓寬鎂合金在復(fù)雜大型構(gòu)件上的應(yīng)用范圍。鎂合金鑄件的缺陷控制及復(fù)雜構(gòu)件鑄造工藝近年來都取得了一定進(jìn)展。

3.2.1 鑄造熱裂行為研究

熱裂是鑄造鎂合金成形過程中常見的缺陷，近來對鑄件熱裂及其控制的研究得到極大重視。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，影響鎂合金熱裂行為的因素主要有兩類［31］，即合金組分和凝固條件。

對于不同合金體系，凝固收縮系數(shù)大的鎂合金在凝固末期會產(chǎn)生更大的收縮應(yīng)力和熱裂驅(qū)動力，更易產(chǎn)生熱裂［32］。合金體系相同時，報道認(rèn)為凝固范圍越寬或者共晶液相的增加都會增加合金的熱裂傾向［33-36］。但共晶液相分?jǐn)?shù)超過某一臨界值時，熱裂傾向會隨共晶液相增加而減小，研究表明少量共晶液相會潤濕晶界，致使晶界間結(jié)合強度降低，不足以抵抗凝固時的收縮應(yīng)力而導(dǎo)致熱裂。而當(dāng)共晶液相分?jǐn)?shù)達(dá)到臨界值后，在枝晶網(wǎng)絡(luò)間的液相流動性得到改善，有利于對局部熱裂區(qū)進(jìn)行補縮并降低熱裂傾向。

對熱裂產(chǎn)生的機理進(jìn)行研究，有助于對鑄件熱裂行為進(jìn)行控制和改善。重慶大學(xué)宋江鳳等［36-38］通過約束桿鑄造法研究了鋅含量和模具溫度對Mg-2Ca-xZn 合金熱裂行為的影響，觀察到鋅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～1.5%）加大了合金的熱裂敏感性，熱裂傾向隨著模具溫度（250～450 ℃）的升高而降低。但對于鑄件熱裂控制目前仍有較多難點，特別是凝固條件對鎂合金鑄造熱裂傾向的影響十分復(fù)雜，具體合金尚需具體研究。

3.2.2 復(fù)雜構(gòu)件鑄造工藝

新型高性能鑄造鎂合金材料已取得較多突破，但在實際應(yīng)用中還需面臨更多工程化難題。當(dāng)前以航天航空為主的重大裝備領(lǐng)域?qū)哂星€型面、多筋多凸臺、大型結(jié)構(gòu)等特點的鎂合金復(fù)雜構(gòu)件的質(zhì)量及精度均提出更高要求，鑄造工藝難度進(jìn)一步增大，針對鎂合金復(fù)雜構(gòu)件鑄造工藝的研究愈發(fā)受到重視。

重慶大學(xué)針對AZ91D 復(fù)雜殼體的壓鑄工藝進(jìn)行研究，該殼體平均壁厚2.5 mm，易產(chǎn)生縮孔等缺陷，對此結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)對凝固過程進(jìn)行模擬。研究表明，在結(jié)構(gòu)厚大部位設(shè)置內(nèi)澆道，可改變凝固順序并增大對該部位的補縮，減少缺陷產(chǎn)生［39］。沈陽飛機工業(yè)集團針對尺寸為617 mm×645 mm×412 mm 的殼體開展了鑄造工藝研究，該殼體采用ZM5 鎂合金制備，外形復(fù)雜，筋條較多，在結(jié)構(gòu)中厚薄交界處易產(chǎn)生熱節(jié)，針對該殼體選用了差壓鑄造工藝，通過改變澆注工藝和澆注系統(tǒng)使鑄件冶金質(zhì)量得到提升，綜合力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求［40］。

上海航天精密機械研究所針對新型高強耐熱鎂合金大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的鑄造工藝開展了大量研究，該類鎂合金構(gòu)件制備難點主要來源于材料特性與構(gòu)件結(jié)構(gòu)。首先，新型含稀土耐熱鎂合金化學(xué)活性較強，鑄造生產(chǎn)過程不易控制；其次，大型艙體、殼體類復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚極不均勻且壁厚差大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。崔恩強等［41-42］針對新型高強耐熱鎂合金大規(guī)格艙體的差壓和低壓鑄造工藝開展了研究，根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化了澆注系統(tǒng)、砂芯及激冷系統(tǒng)等，并采用數(shù)值模擬進(jìn)一步優(yōu)化了鑄造工藝參數(shù)，立筒澆道內(nèi)合金液的固相率始終低于同高度型腔內(nèi)合金液的固相率，有利于艙體順序凝固過程的補縮，根據(jù)優(yōu)化的工藝制備出充型平穩(wěn)且品質(zhì)優(yōu)良的艙體及殼體鑄件。潘龍等［43］運用復(fù)合鑄型的鑄造工藝制備了VW63Z 稀土鎂合金復(fù)雜薄壁艙體，采用激冷能力有差別的不同種類型砂制備復(fù)合鑄型（如圖5 所示），從而調(diào)控鑄件凝固過程的整體溫度場和各部位的凝固順序，同時結(jié)合ProCAST 鑄造仿真軟件優(yōu)化鑄造工藝，實現(xiàn)順序凝固。結(jié)果表明，復(fù)合鑄型鑄造工藝條件下，鑄件內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到航標(biāo)I 類鑄件要求，T6 態(tài)力學(xué)性能滿足抗拉強度≥280 MPa，延伸率≥3%。

圖5 艙體模型及鑄型結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic diagram of cabin model and casting mold structure

3.3 鎂合金新型塑性加工技術(shù)

鎂合金塑性加工工藝目前應(yīng)用較廣泛的有擠壓與軋制。在工業(yè)領(lǐng)域中，需求增長較快的塑性加工制品則以鎂合金板材為主，針對鎂合金板材的新型塑性加工和缺陷控制技術(shù)是鎂合金變形產(chǎn)品推廣的有力支撐。

3.3.1 非對稱變形加工

以對稱變形為主的傳統(tǒng)鎂合金塑性加工方式通常會使材料具有較強的基面織構(gòu)，與之相比，采用非對稱加工技術(shù)制備的鎂合金，無論在力學(xué)性能還是成形性上均有大幅提升。非對稱軋制（也稱異步軋制或差速軋制）通常有3 種實現(xiàn)形式：上下軋輥與金屬軋件摩擦因數(shù)不等、上下軋輥半徑不同、上下軋輥速度不同［44-47］。異步軋制會使坯料在軋制后出現(xiàn)金屬流變不對稱，可細(xì)化晶粒，弱化基面織構(gòu)，減小各向異性，改善室溫成形性能和沖擊性能并降低軋制產(chǎn)品邊裂。相較于常規(guī)軋制，異步軋制在工藝方面可減小軋制壓力和可軋厚度極小值，進(jìn)而減少軋制道次，實現(xiàn)單道次大壓下量軋制。REN等［48］研 究 了AZ31B鎂合金薄板在非對稱軋制后，在各道次不同剪切變形下的組織、織構(gòu)和力學(xué)性能的變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)沿軋制方向反向剪切變形處理（RASR）的板材與均勻軋制變形（SR）的板材相比，織構(gòu)強度明顯減弱（如圖6 所示），晶粒變小，組織更加均勻，其強度和延伸率分別從均勻變形的226.4 MPa 和10.3% 提高到250.3 MPa和12.5%。

圖6 變形率為82.4%的板材的織構(gòu)Fig.6 Texture of plates with the deformation rate of 82.4%

傳統(tǒng)擠壓工藝制備的鎂合金板材同樣存在基面織構(gòu)較強的問題。重慶大學(xué)潘復(fù)生等［2，5］提出新型非對稱擠壓工藝，通過合理設(shè)計擠壓模具內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，使擠壓過程中材料不同位置出現(xiàn)流速差和剪切變形，可有效弱化織構(gòu)并改善各向異性。非對稱擠壓工藝主要可分為漸進(jìn)式和大應(yīng)變兩種形式，如圖7 所示。AZ31 鎂合金板材采用漸進(jìn)式擠壓后表面（0002）基面織構(gòu)沿擠壓方向偏轉(zhuǎn)了約12°，延伸率從15.4%升至17.4%，而采用大應(yīng)變擠壓處理后，板材織構(gòu)強度從22.6 隨機分布倍數(shù)（Multiple Random Distribution，M.R.D）降至15.6 M.R.D。此外，重慶大學(xué)還重點研究了以厚向梯度、橫向梯度和三維弧形擠壓為主的鎂合金非對稱擠壓工藝，可對板材微觀組織和織構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控，改善鎂合金板材力學(xué)性能［49］。

圖7 傳統(tǒng)擠壓與非對稱擠壓模具及其板材（0002）方向織構(gòu)Fig.7 Conventionally extruded and asymmetrically extruded dies and the texture of their（0002）planes

3.3.2 板材邊裂控制技術(shù)

鎂合金在軋制加工中極易出現(xiàn)邊裂，降低了板材的成材率，破壞生產(chǎn)過程的連續(xù)性［50］。因此，鎂合金板材的邊裂控制技術(shù)對于提升板材質(zhì)量和合格率至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對鎂合金板材邊裂進(jìn)行了大量研究。SHO 等［51］在1000m/min的軋制速度下對AZ31B板材邊裂進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)萌生裂紋的臨界變形量主要由預(yù)軋制溫度決定，邊部裂紋間距與裂紋接觸長度呈線性正相關(guān)。PEKGULERYUZ 等［52］指出邊裂出現(xiàn)可歸因于孿晶引起的壓縮帶，認(rèn)為邊裂的產(chǎn)生與孿晶有關(guān)。黃志權(quán)等［53］認(rèn)為在高溫軋制時，中部與邊部的溫差會引起縱向金屬流動量的差異，使邊部產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力高于其斷裂強度極限，從而導(dǎo)致邊裂。劉子健等［54］認(rèn)為鎂合金軋板在高溫下軋制受到的剪切變形是形成邊裂的主要原因。ZHI 等［55］則認(rèn)為板材邊部不均勻變形引起的集中應(yīng)力達(dá)到理論斷裂強度，是大量邊裂產(chǎn)生的原因?？傊?，造成鎂合金易出現(xiàn)邊裂主要原因包括板材內(nèi)部溫度分布和應(yīng)力分布的不均勻性、鎂合金滑移系不足等，因此，可采取優(yōu)化軋制溫度、軋制速度、壓下制度、應(yīng)力狀態(tài)，以及調(diào)控材料微觀結(jié)構(gòu)等控制鎂合金板材邊裂［56］。

減輕邊裂的方法主要包括改變軋制方法、轉(zhuǎn)換軋制路徑、改進(jìn)成分設(shè)計等［47］，目前開發(fā)了包覆軋制、電致塑性軋制、異步軋制、立輥預(yù)軋制、直拉張力軋制及襯板軋制等工藝。重慶大學(xué)開發(fā)的四輥溫軋可逆在線加熱實驗軋機設(shè)備示意圖如圖8 所示。重慶大學(xué)張丁非等［57-60］利用塑性損傷理論對AZ31 軋制鎂合金邊裂進(jìn)行了損傷有限元模擬，發(fā)現(xiàn)鎂合金板材在軋制時，隨著壓下量的增加，軋制力增加，邊部的塑性損傷增加。采用開發(fā)的在線加熱軋制技術(shù)軋制AZ31 鎂合金，獲得了板形優(yōu)良、邊裂較少且性能優(yōu)異的鎂合金軋板。

圖8 在線熱軋機Fig.8 On-line hot rolling mill

4 鎂合金材料應(yīng)用

4.1 航空航天構(gòu)件

航空航天領(lǐng)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)輕量化需求迫切，輕質(zhì)材料有助于提升飛行速度、運載量等技術(shù)指標(biāo)，因此，具有突出減重效果的鎂合金在該領(lǐng)域上廣受關(guān)注，已被應(yīng)用于制造飛機、飛船、衛(wèi)星上的一些機械裝備零件。

在航空領(lǐng)域中，EZ33、WE43 稀土鎂合金被廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動機齒輪箱和直升機的變速系統(tǒng)中，世界知名的高性能鎂合金鑄件供應(yīng)商Magnesium Elektron 公司生產(chǎn)的WE43B 合金，抗拉強度最高可達(dá)290 MPa，屈服強度最高可達(dá)215 MPa，延伸率可達(dá)10%，可在振動、沙塵、高溫等惡劣環(huán)境下服役，如西科斯基公司的S-92 型直升機、貝爾BA-609 型傾斜旋翼飛機和歐洲的NH90 直升機。上海交通大學(xué)針對稀土鎂合金Mg-Y-RE 改善了其延伸率較低的問題，在大型復(fù)雜薄壁鎂合金鑄造技術(shù)上取得一定進(jìn)展，已成功應(yīng)用于某型武裝直升機的機匣部件，如圖9 所示。

圖9 鎂合金機匣部件Fig.9 Magnesium alloy magazine part

航天領(lǐng)域中對高品質(zhì)高性能的鎂合金有明確需求。國外不僅重視鎂合金材料研究與合金體系建立，同時重視新型飛行器中鎂合金部件制造關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及實際應(yīng)用。美、歐、俄等發(fā)達(dá)國家在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中大量采用高性能鎂合金。Falcon-GAR-I 空空導(dǎo)彈中90%的零部件為鎂合金。美國雷聲公司采用改進(jìn)的AZ91E 和AZ91D 鎂合金制備了AGM-154C 連接艙艙體、尾艙艙體、翼片骨架等構(gòu)件，認(rèn)為鎂合金的力學(xué)性能和耐蝕性能可滿足整體要求。防區(qū)外發(fā)射空地導(dǎo)彈KEPD-350 由德國金牛座系統(tǒng)公司研制（如圖10 所示），射程超過350 km，導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)中的加強框、壁板、舵面、隔板等零件中應(yīng)用近100 kg 的GW83、ZK61 等高性能鎂合金，鎂合金的應(yīng)用可降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量25%～50%，有助于提高射程與飛行速度，保障了戰(zhàn)斗毀傷效能［61］。

圖10 空地導(dǎo)彈KEPD-350Fig.10 Air-ground missile KEPD-350

我國在航空航天中應(yīng)用較為成熟鎂合金主要有鑄造鎂合金ZM2、ZM3、ZM4、ZM5、ZM6、ZM9，以及變形稀土鎂合金MB25、MB26。非稀土鑄造鎂合金由于其室溫及高溫強度有限，應(yīng)用范圍主要限于飛行器上的低承受力零件，如飛機輪轂、飛機蒙皮和艙體、發(fā)動機部件等。稀土鎂合金較之常用鎂合金，在結(jié)構(gòu)減重的效果下具備更好的綜合力學(xué)性能與耐熱性，在航空航天領(lǐng)域極受關(guān)注。

國外受限于稀土原材料，在高性能鎂稀土合金工程化應(yīng)用上進(jìn)展較緩慢。我國在稀土鑄造鎂合金的研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，對鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量工作，其中，鎂合金構(gòu)件的大規(guī)格與高性能之間的矛盾是需突破的重難點之一。上海航天精密機械研究所近年來開展了鎂合金大規(guī)格復(fù)雜構(gòu)件的工程化應(yīng)用研究，并成功實現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品批產(chǎn)（如圖11 所示）。

圖11 上海航天精密機械研究所研制的大規(guī)格鎂合金產(chǎn)品Fig.11 Large-size magnesium alloy products developed by Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute

此外，針對鎂合金在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用推廣面臨的如復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形工藝、防腐蝕、高溫強度保持等難題，國內(nèi)目前已取得一定研究進(jìn)展。華中科技大學(xué)采用等溫精密鍛造工藝成功制備了具有復(fù)雜形狀的鎂合金上機匣。北京衛(wèi)星制造廠近年突破了鎂合金表面防腐、導(dǎo)電性為代表的綜合表面處理技術(shù)，實現(xiàn)鎂合金在航天器電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。上海交通大學(xué)采用新型高性能鎂合金結(jié)合新型成形工藝成功研制某型號艙體、發(fā)動機機匣、彈翼、殼體、雷達(dá)部件等構(gòu)件。重慶大學(xué)自主開發(fā)新型高強稀土鎂合金，用低壓鑄造試制某型號直升機尾部減速機匣及某型號航天器用部件。

研發(fā)與推進(jìn)高強韌鎂合金、耐熱鎂合金及其表面防護關(guān)技術(shù)的發(fā)展，與未來中長期航空航天領(lǐng)域裝備對輕量化發(fā)展趨勢一致，高性能鎂合金的新材料與新工藝的成熟將有效促進(jìn)我國航空航天領(lǐng)域裝備的更新與進(jìn)步。

4.2 交通工具

我國交通工具的高保有量使其成為能源消耗大戶，交通工具輕量化勢在必行，鎂合金逐漸成為交通工具輕量化的首選材料之一，在汽車、軌道車輛上開始大規(guī)模應(yīng)用，并初步在民用飛機上得到應(yīng)用。

鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要有骨架類、支架類、殼體等。當(dāng)前已得到大規(guī)模應(yīng)用的汽車用鎂合金材料有AM50、AM60 和AZ91，主要采用高壓鑄造方式生產(chǎn)。重慶大學(xué)國家鎂中心與韓國浦項合作開發(fā)的AE81 鑄造鎂合金，旨在推動鎂合金應(yīng)用于低壓鑄造輪轂，用鎂合金制備的輪轂如圖12 所示。由于鎂合金塑性成形能力的限制，目前使用的鎂合金零部件絕大多數(shù)為壓鑄件，變形鎂合金的應(yīng)用較少，但也取得一定進(jìn)展。

圖12 鎂合金輪轂Fig.12 Magnesium alloy wheels

鎂合金鑄件和擠壓型材也已在高鐵、動車、地鐵等軌道交通車輛上批量應(yīng)用，軌道交通中鎂合金構(gòu)件大多采用AZ91 鑄造鎂合金和AZ31、ZK60 變形鎂合金。鎂合金行李架、車下線槽、設(shè)備艙橫梁等次承載件已用于復(fù)興號動車組，與原有鋁合金構(gòu)件相比減少質(zhì)量約30%。同時，重慶大學(xué)與企業(yè)合作開發(fā)了200～500 mm 寬度的鎂合金大型中空型材和高性能支撐梁等新型軌道交通構(gòu)件，為高性能鎂合金在軌道交通車輛的進(jìn)一步應(yīng)用奠定材料基礎(chǔ)。

由于鎂合金的阻燃性等問題，民用客機長期以來基本未應(yīng)用鎂合金。近來WE43 等新型鎂合金通過了波音公司的燃燒測試，初步得到美國工程師協(xié)會和美國聯(lián)邦航空局認(rèn)證，在2015 年Magnesium Elektron 公司研制的鎂合金成功用于航空座椅生產(chǎn)。此外，波音公司還聯(lián)合重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)等多家國內(nèi)高校，開發(fā)了新型鎂合金材料并用于航空座椅，重慶大學(xué)與中航成發(fā)公司合作開發(fā)了超薄鎂合金發(fā)動機葉柵。鎂合金在民航飛機上的應(yīng)用前景有望進(jìn)一步拓寬。

4.3 電子信息產(chǎn)品

為適應(yīng)電子器件輕薄、小型的發(fā)展趨勢，期望電子器件殼體材料具有輕質(zhì)高強、優(yōu)良的抗沖擊和減振性、強電磁屏蔽性、良好散熱性，具備耐用、低成本、易回收等特點，因此，鎂合金開始成為電子產(chǎn)品外殼的優(yōu)選材料。目前電子信息領(lǐng)域用鎂合金制作零部件的主要包括照相機、攝影機、筆記本電腦、移動電話、電視機、顯示器和硬盤驅(qū)動器等產(chǎn)品。

鎂合金優(yōu)良的阻尼減振效果有利于電腦內(nèi)部零件的穩(wěn)定運行，電磁屏蔽性能在一定程度上保障了信息傳輸?shù)陌踩瑑?yōu)良的熱傳導(dǎo)性則可改善主機運行中的散熱問題。同樣，鎂合金在手機等移動設(shè)備中也發(fā)揮了減振、抗磨、可屏蔽電磁波的特性，同時兼具輕薄小巧的優(yōu)點而備受青睞。2013 年NEC推出了最輕的13 英寸（1 英寸=2.54 cm）筆記本Lavie Z，采用了Mg-40Li 的鎂鋰合金外殼，密度僅1.36 g/cm3，總質(zhì)量僅為795 g。微軟公司采用其引以為自豪的“VaporMg”鎂合金來制作Surface Pad的機身，鎂合金外殼非常輕薄而且硬度也很高。2020 年宏碁發(fā)布的Swift 5 筆記本電腦外殼采用了鎂鋰合金制備，14 英寸電腦質(zhì)量僅為990 g。國內(nèi)目前已經(jīng)可以采用壓鑄鎂合金成批量規(guī)模生產(chǎn)筆記本電腦外殼，但采用鎂合金板沖壓成形筆記本外殼上仍未取得突破性的工程級規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。

4.4 其他領(lǐng)域

根據(jù)鎂合金的不同特性，在其他領(lǐng)域得到較為普遍的應(yīng)用。在海洋裝備領(lǐng)域，主要基于原電池原理，利用鎂合金的易腐蝕性，可采用鎂合金制備犧牲陽極，以及海上重要儀器回收裝置或定時觸發(fā)裝置、氫氣浮力裝置等；在石油開發(fā)領(lǐng)域，利用鎂合金可降解、腐蝕速率可控同時兼具高強韌性的優(yōu)勢研制了鎂合金可溶壓裂球和可溶橋塞，并已在石油開發(fā)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用（如圖13 所示）；在紡織業(yè)中，主要利用鎂合金良好的阻尼性能與輕質(zhì)特性，較之鋁型材，鎂合金紡機型材的單件質(zhì)量減少30%以上，紡織斷線率下降50%，綜合效益更好；在醫(yī)療領(lǐng)域，鎂合金材料可作為骨固定材料，可為骨折愈合初期提供穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境，避免局部骨質(zhì)疏松和再骨折等情況。

圖13 鎂合金可溶壓裂球和可溶橋塞Fig.13 Magnesium alloy soluble fracturing balls and soluble plug

5 結(jié)束語

我國鎂合金輕量化金屬材料產(chǎn)量位居世界第一，在鎂合金上獨具國際話語權(quán)，輕量化應(yīng)用發(fā)展迅猛，預(yù)計至2035 年鎂合金將迎來爆發(fā)增長。但仍面臨鎂合金輕量化應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈不完善、大型鎂合金構(gòu)件成本高、新型輕量化金屬材料應(yīng)用有限、標(biāo)準(zhǔn)體系和政策法規(guī)不健全等諸多挑戰(zhàn)，特別是存在鎂合金材料的共性技術(shù)創(chuàng)新平臺缺乏、創(chuàng)新人才短缺、技術(shù)研發(fā)能力不足、輕量化社會認(rèn)識較低等問題。國內(nèi)鎂合金材料工藝技術(shù)研究盡管晚于歐美發(fā)達(dá)國家，但在新型鎂合金材料設(shè)計、新型成形工藝研發(fā)及工程化應(yīng)用領(lǐng)域已突破部分核心關(guān)鍵技術(shù)，特別是有力推進(jìn)了汽車及航空航天領(lǐng)域的輕量化進(jìn)程。

為促進(jìn)我國鎂合金材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展，推進(jìn)鎂合金在工程領(lǐng)域上應(yīng)用的廣度和深度，可采取的途徑主要包括：

1）以國家戰(zhàn)略需求為基準(zhǔn)，緊瞄國際研究熱點，持續(xù)提升行業(yè)整體水平，同時加強先進(jìn)鎂合金材料的研發(fā)力度，在鞏固加強自主創(chuàng)新和自主可控能力的同時，也需加強技術(shù)創(chuàng)新平臺的建設(shè)，并開展廣泛的國際合作交流。

2）采取優(yōu)化組織實施的方式，助力先進(jìn)鎂合金“產(chǎn)學(xué)研”體系通道暢通，推進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化運用，實現(xiàn)從材料大國向材料強國的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變，滿足國民經(jīng)濟、重大工程和可持續(xù)發(fā)展對先進(jìn)鎂合金材料的需求。

3）研究重點需關(guān)注低成本原材料制備技術(shù)，高性能鎂合金材料開發(fā)，先進(jìn)成形和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫和智能預(yù)測系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，以及前沿新材料新技術(shù)發(fā)展等。