耐热镁合金材料的研究和应用现状

郑 伟，柳叶芳，业 飞，陈 雪，展卫星

（1.江苏省产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210007；2.盐城市联鑫钢铁有限公司，江苏 盐城 224100）

镁合金是当前是工程建设中使用最为广泛的轻金属材料，有“绿色工程材料”的美誉，是当下材料开发与应用方面的重点研究方向。现阶段，我国镁合金材料的开发、加工和应用处于鼎盛时期。从世界镁合金研究的观点来看，有以下的研究趋势：以追求轻量化的镁合金室温比(强度)为研究目标，追求高弹性、高强度粒子和短纤维增强镁合金为基础，追求高温性能耐热镁合金系列的研究开发。本论文分析了耐热镁合金的研究现状，概述了镁合金材料的开发潜力，另外也阐明了合金元素在材料开发中的用途和耐热镁合金材料的延展变形，以及优质耐热镁合金材料的实际应用价值。

1 耐热镁合金材料设计原理

耐热性主要是指材料在高温和负荷下能够承受形变和压力的程度。合金材料在高温下变形的分子机制主要是滑动效应，这会带来显著的形变，形变程度可达到40%-50%。与其他材料相比，纯镁六角晶格的特殊结构使其在室温下也会因高应力而产生形变，因此镁合金材料比铝合金材料更容易发生晶界滑移现象。镁合金(AZ系列、AM系列)是目前广泛商用的镁合金材料类型。这一类镁合金材料对高温的承受能力较差，这是因为AZ系和AM系镁合金的时效析出相为Mg17Al12，而正常条件下90%以上的Mg17Al12都呈现出条状结构，析出物和镁基体的表面平行，二者之间没有连接结构的，因此不能够抵挡晶界滑移效应，时效硬化作用较微弱。Mg17Al12具有437℃的低熔点，在低温下是软相。另外，最近的研究结果表明，Mg17Al12在过饱和Mg基体的结晶界中析出是不连续的，这是导致AZ及AM系列镁合金材料高温下变形能力减弱的主要原因之一。晶界面中不连续析出的Mg17Al12条状结构和晶界几乎呈直角关系，因此晶界的滑移面积进一步增大，而且相邻晶格中的自由晶粒增加，使晶格更容易变形，从而导致晶界滑移的发生率增加，有损合金材料的耐形变能力。

从合金材料的晶体结构进行分析，合金材料滑移反映的限制和晶界结构的加强应受到相应的重视，因此耐热镁合金材料的开发应以限制晶界滑移效应和增强晶界为切入点，通过以下技术手段对镁合金材料的耐热性能和高温下的变形性能进行改进：①在原有材料结构中引入热稳定性较强的第二相，如可形成金属材料之间稳定化合物的合金元素以及弥散强化的合金元素；②通过适当的合金化来抑制合金元素在镁基体中的转移速率；③以微合金化效应来增强合金材料的晶界结构。

2 耐热镁合金的研究现状

2.1 稀土系列镁合金

稀土类元素集中在第3副族，其结构特点为原子最外层的电子构成是一样的，都只有两个电子。次外层的电子结构也较为相似，而倒数第三层4f轨道有所差异，该层上不同元素的电子数量是不同的。与其他族的元素相比，稀土元素的原子半径更大，因此更轻易在6s外层丢失2个电子、在5d次外层丢失1个电子，或在4f层丢失1个电子，从而容易形成三价离子。部分两价或四价稀土元素也具有非常具有较高的化学活性，和O、S和其他元素的结合能力很强，所以能在熔融时净化合金材料的结构，增强合金材料在常温及高温条件下的使用性能，提高合金材料在冶金工艺中的耐用性以及市场应用中的适用性。

大部分稀土类元素与镁元素的原子结构较为相似，在镁基体中的固溶度大，可以实现固溶强化和沉淀强化。稀土类元素能够降低合金材料晶界的扩散和渗透效应，从而减缓元素晶界的聚集，有效抑制了晶界滑移现象，从而提升了镁合金的耐高温性能。同时，稀土类元素还可以减少金属表面氧化物的浓度，抑制金属的氧化反应，赋予合金卓越的高温抗氧化性能。稀土元素在合金材料中析出的顺序：170℃～200℃，形成六边形的β''相，这个相是超晶格结构；在200℃～250℃形成体心正交β'相；300℃时在粒内和粒界不均匀分布的平衡面心立方β相析出相。由于具有分散且热稳定的粒子相，所以镁合金具有良好的耐热性。

2.2 Si、Ca系列镁合金

Ca售价低廉，熔点不高，同体积下的密度(约1550Kg/m3)也与镁比较类似，很适合作为镁合金的添加元素，因此受到极大关注。80年代以后，为了提高镁合金材料的机械性能，国外使用Ca作为镁合金添加剂，并根据镁合金的高温拉伸强度和吸附特性开发出了ACX系列镁合金，如加拿大研究的AC51(Mg-5Al-0.8Ca)等镁合金、美国研究的ZAC8506(Mg-8%Zn-5%Al-0.6%Ca)，都具有优异的延展性能和吸附特性。相关研究发现，在镁合金材料中引入Ca元素不仅能够提高镁合金的抗氧化性和熔点，还可以改善合金材料的铸造结构，优化室温下的机械特性。添加了Ca后，Al及Ca含量的质量比大于0.8时，合金的硬度明显增加，且晶界具有很高的热稳定性，对高温变形中的晶界滑移现象有极为显著的抑制能力，极大地提升了合金材料的耐高温性能。

Ca可以大幅改善合金的高温特性，但如果Ca元素添加过多，就会导致合金材料的强度降低。针对这一问题，可以采取多元素引入来加以解决，如Ca、Si或Ca、RE的化合物添加可以显著优化合金材料在室温和高温下的机械特性，从而在不损害原有合金材料特性的基础上大幅提高合金的高温抗变形性。另外，在AS系列镁合金中添加少量的Ca元素也能够细化Mg2Si相的结构，改善合金材料的机械特性和流动性能。

2.3 Sr等系列镁合金

稀土类耐热镁合金的性能优越，但开发加工的成本过高，Ca、Si类耐热镁合金虽然成本较低，但在铸造工艺中的机械性能略差。Sr和Ca同为碱土元素，化学性质也相同，因此Sr能否与Mg合金化，开发出集耐热性、压铸性能、低成本等优良特性于一体的新型镁合金材料一直以来都被研究人员广为关注。研究表明，在Mg–4Al合金中加入适量的Ca和Sr，可以大幅改善合金材料的物理结构，室温下的延展性能能够达到170N/mm2，175℃温度下的综合性能也明显优于Mg–4Al合金。

3 耐热镁合金的应用趋势

3.1 适应航空航天、军事国防等领域的需要

即便稀土类镁合金材料造价高昂，但对于航空航天、军事、国防等尖端领域而言，该类型镁合金的开发已经不受稀土、锆及其他化学元素的生产加工成本的制约。因此在高科技领域内，应更多的以强度、耐热性、耐腐蚀性等高性能为重点，充分发挥稀土资源的加工潜力，不断革新镁合金的铸造工艺，开发机械性能优越的新型耐热镁合金。我国有着大量的稀土资源，储量占世界已探明总量的80%以上。稀土资源的应用途径和开发方式对于合理利用稀土资源极为关键。中国在耐热镁合金研究开发方面一度领先于世界，但自1980年以后，还没有划时代的新材料的开发报告。

在21世纪，镁合金应用开发受到很多的关注，因此在镁合金行业工业化大步向前的同时，要善于结合镁合金材料的应用前景，更好地发挥稀土类优质镁合金材料的独有优势，既要借鉴国外先进生产经验，更要重视自主知识产权，大力推进高性能稀土镁合金资源的自主研发，增强我国在镁合金材料开发和应用领域中的地位，拓宽稀土资源的充分合理使用的空间。这势必会推动我国镁合金产业的繁荣和稀土资源的发展。

3.2 适应汽车、电子、通讯等行业的需要

不同于高科技领域，民用领域中的镁合金材料要想得到普及和应用，价格因素是首要的影响因素。即使合金材料的性能优越，但售价过高的话，用户也不会有消费欲望。因此，民用汽车、电子、通信等镁合金材料在设计合金时要考虑性能和价格，充分考虑性价比，开发新型低成本耐热镁合金。鉴于耐热镁合金的发展现状和尚存的不足，应以以下方面为重点来促进低成本耐热镁合金材料的开发：①在生产工艺层面提升镁合金材料的耐高温、耐腐蚀性及机械性能。在此方面，少量、多元素的合金铸造工艺是改善耐热镁合金工艺性能的行之有效的方法。使用大量造价较低的合金元素，发掘合金元素和微量元素之间有益的相互作用，并充分结合各元素之间有益的分子机制，有效地提升镁合金材料的生产性能。②改善合金材料的铸造性能，应对大规模工业生产。对于耐热镁合金的造价控制和市场价值的提升而言，高效的大批量生产工艺是必不可少的，例如在汽车行业，压铸就是十分必要且高效的生产工艺，所以铸造汽车部件需要的耐热镁合金材料就必须具备优良的压铸性能。因此，在合金材料总体性能提升的前提下，必须使其具有不同的加工特性，以适应不同的用途和生产工艺。

4 结语

作为轻金属材料，镁合金材料的开发和应用已是一种趋势。在突破镁合金的生产工艺和造价等限制的基础上，为了更好发挥耐热镁合金材料的优良性能，需要不断改良冶炼技术，发展新型高性能镁合金型材，同时应紧抓自主知识产权，努力使我国尽快从镁大国转变为镁强国。