0 前言

    鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度/比剛度高、尺寸穩(wěn)定、易于加工成形、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、阻尼減振、電磁屏蔽和容易再回收等優(yōu)點(diǎn)，因此被譽(yù)為“21 世紀(jì)綠色工程材料” [1] 。鎂合金已經(jīng)成為航空航天、汽車、電子通信等工業(yè)領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。在航空航天領(lǐng)域，鎂合金被廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)、導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星上的重要機(jī)械裝備零件 [2] ，以減輕零件質(zhì)量，提高飛行器的機(jī)動性能，降低航天器的發(fā)射成本。早在 20 世紀(jì) 50 年代，我國仿制的飛機(jī)和導(dǎo)彈的蒙皮、框架以及發(fā)動機(jī)機(jī)匣已采用鎂稀土合金。70 年代后，隨著我國航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展，鎂合金也在強(qiáng)擊機(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等產(chǎn)品上逐步得到推廣和應(yīng)用。例如：ZM6鑄造鎂合金已經(jīng)用于制造直升機(jī)尾減速機(jī)匣、殲擊機(jī)翼肋及 30 kW 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子引線壓板等重要零件；MB25 稀土高強(qiáng)鎂合金已代替部分中強(qiáng)鋁合金，在強(qiáng)擊機(jī)上獲得應(yīng)用 [3] 。目前，我國航空航天領(lǐng)域?qū)p重的迫切需求為鎂合金新材料的開發(fā)與應(yīng)用提供了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

    限制鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用主要有兩個因素：1）材料強(qiáng)度偏低，尤其是高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能較差；2）鎂合金鑄件容易形成縮松和熱裂紋，成品率低，鎂合金變形件塑性加工條件控制困難，導(dǎo)致組織與力學(xué)性能不穩(wěn)定。作為我國重要的鎂合金研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心針對以上兩個制約因素，展開了系統(tǒng)深入的研究，經(jīng)過 20 多年的探索與開發(fā)，在新材料與新工藝方面取得了較大突破。本文重點(diǎn)介紹上海交通大學(xué)開發(fā)的 2 種新型鎂合金材料與 4 種鎂合金制備新工藝，以及其在我國航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。

    1 鎂合金新材料的研發(fā)

    為了提高鎂合金的強(qiáng)度，上海交通大學(xué)近年來對各個 Mg-RE 系合金重新進(jìn)行了審視，系統(tǒng)研究了Mg-Nd-Zn [4-6] 、Mg-Gd [7] 、Mg-Gd-Y [8-10] 、Mg-Gd-Nd [11] 、Mg-Gd-Sm [12] 、Mg-Gd-Zn [13] 、Mg-Gd-Ag [14] 、Mg-Y-Nd [15] 、Mg-Y-Sm [16] 、 Mg-Dy-Gd-Nd [17] 、 Mg-Y-Gd [18] 、Mg-Sm-Zn [19] 等多個 Mg-RE 系合金，重點(diǎn)探討了合金的強(qiáng)化與韌化機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn) JDM1 和 JDM2 鎂合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，下面重點(diǎn)介紹這兩種合金的顯微組織與強(qiáng)韌化機(jī)制。

    1.1 JDM1 鎂合金

    JDM1 鑄造鎂合金是一種低稀土含量的鎂合金，其典型的室溫力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度 140 MPa、抗拉強(qiáng)度 300 MPa、延伸率 10%，典型的顯微組織如圖 1所示，鑄態(tài)的 JDM1 鎂合金主要由鎂基體（α-Mg）和離異共晶 Mg 12 Nd 相構(gòu)成。固溶處理后，初生離異或析出的共晶 Mg 12 Nd 相固溶進(jìn)入基體，同時在晶粒內(nèi)部形成細(xì)小彌散相，如圖 2 所示。這些細(xì)小彌散相為含 Zr 化合物，呈橢球狀和短片狀，研究表明橢球狀的為 Zr-H 化合物，而短片狀的為 Zn-Zr 化合物，其他含 Zr 化合物仍需進(jìn)一步確認(rèn)。JDM1 鑄造鎂合金最終使用狀態(tài)為 200 ℃峰值時效態(tài)（即 T6 態(tài)），固溶處理態(tài)合金經(jīng)過時效沉淀強(qiáng)化后合金強(qiáng)度進(jìn)一步提高，時效沉淀強(qiáng)化對室溫屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率占60%以上（表 1），是 JDM1 鑄造鎂合金最主要的強(qiáng)化機(jī)制。200 ℃峰值時效時 β″和 β′亞穩(wěn)相同時存在，分別如圖 3 中黑色與白色箭頭所示，以 β″亞穩(wěn)相為主。圖 4 為 JDM1 鑄造鎂合金T6 態(tài)短時高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的曲線，可以看出：當(dāng)溫度高于250 ℃時，合金抗拉強(qiáng)度明顯下降；而在 250 ℃及以下溫度時，合金力學(xué)性能下降較小；250 ℃時的抗拉強(qiáng)度仍高于240 MPa。因此，JDM1鑄造鎂合金可以在250 ℃及以下溫度使用，合金在200 ℃和100 MPa 載荷下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率在10 -9 量級水平，蠕變性能良好。

    JDM1 鎂合金經(jīng)過熱擠壓后晶粒明顯細(xì)化，由再結(jié)晶晶粒、未完全再結(jié)晶組織和熱擠壓過程中析出的第二相組成，其中再結(jié)晶晶粒呈雙峰分布，大晶粒尺寸在？m 級，小晶粒尺寸在亞？m 級（圖 5（a）），未完全再結(jié)晶組織的[0001]面平行于擠壓方向（圖 5（b））。擠壓態(tài) JDM1 鎂合金仍可以產(chǎn)生時效硬化現(xiàn)象，時效后合金力學(xué)性能進(jìn)一步提高，350 ℃擠壓時效態(tài)（T5 態(tài)）JDM1 鎂合金的室溫力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度 290 MPa、抗拉強(qiáng)度 317 MPa、延伸率22%。擠壓態(tài) JDM1 鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制主要為晶界第二相強(qiáng)化和析出相強(qiáng)化（表 1）。

    1.2 JDM2 鎂合金

    JDM2 鑄造鎂合金是一種高稀土含量的鎂合金，其典型的室溫力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度 240 MPa、抗拉強(qiáng)度 370 MPa、延伸率 4%。合金典型的顯微組織如圖 6 所示，鑄態(tài)的 JDM2 合金主要由鎂基體（α-Mg）和離異共晶 Mg 24 （Gd, Y） 5 相構(gòu)成。固溶處理后，初生離異共晶 Mg 24 （Gd, Y） 5 相固溶進(jìn)入基體，同時在晶界附近形成塊狀富稀土相（圖 6（b）），這種相為 fcc 結(jié)構(gòu)，a=0.525 nm，很可能是一種由稀土氫化物形成的細(xì)小彌散相 [20] 。JDM2 鑄造鎂合金最終使用狀態(tài)為T6 態(tài)，固溶處理態(tài)合金經(jīng)過時效沉淀強(qiáng)化后合金強(qiáng)度進(jìn)一步提高，時效沉淀強(qiáng)化對室溫屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率占 60%以上（表 2），是 JDM2 鑄造鎂合金最主要的強(qiáng)化機(jī)制。225 ℃峰值時效時析出以 β′亞穩(wěn)相為主，如圖 7 所示。圖 8 為 JDM2 鑄造鎂合金 T6態(tài)短時高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的曲線，可以看出：與 JDM1 鎂合金類似，當(dāng)溫度高于 250 ℃時，合金抗拉強(qiáng)度明顯下降；而在 250 ℃及以下溫度時，合金力學(xué)性能下降較小；250 ℃時的抗拉強(qiáng)度仍高于300 MPa。因此，JDM2 鑄造鎂合金可以在 250 ℃及以下溫度使用，在 200 ℃溫度和 180 MPa 載荷的穩(wěn)態(tài)蠕變速率在 10 -9 量級上，蠕變性能良好。與傳統(tǒng)商業(yè)用 WE54 高強(qiáng)度耐熱鎂合金相比，JDM2 鎂合金具有更好的高溫與低溫力學(xué)性能。

    JDM2 鎂合金經(jīng)過熱擠壓后晶粒明顯細(xì)化，由再結(jié)晶晶粒和熱擠壓過程中析出的第二相組成，如圖9所示。擠壓態(tài)JDM2鎂合金時效硬化現(xiàn)象明顯，時效后合金力學(xué)性能進(jìn)一步提高，400 ℃擠壓時效態(tài)（T5 態(tài)）JDM2 鎂合金的室溫力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度 314 MPa、抗拉強(qiáng)度 422 MPa、延伸率 3.7%。擠壓態(tài) JDM2 鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制主要為晶界強(qiáng)化和析出相強(qiáng)化（表 2）。

    2 鎂合金成型新工藝的研究

    為了滿足航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)雜鎂合金結(jié)構(gòu)件的要求，上海交通大學(xué)先后開發(fā)了多種鎂合金成型新工藝，其中包括涂層轉(zhuǎn)移精密鑄造技術(shù)、大型鑄件低壓鑄造技術(shù)、大型鍛件成型技術(shù)和表面超聲波陽極氧化技術(shù)。

    2.1 涂層轉(zhuǎn)移精密鑄造技術(shù)

    對于復(fù)雜鑄件，采用砂型鑄造時通常需要制備復(fù)雜的砂芯。傳統(tǒng)砂芯制備方法是先向芯盒內(nèi)填砂，從芯盒內(nèi)取出型芯后，再在型芯表面刷、噴、浸或流淌涂料，其涂料層均勻度難以控制，且型砂強(qiáng)烈吸水，涂料容易在型芯表面堆積，難以得到表面光潔的鑄造模樣，從而影響最終鑄件的尺寸精度和光潔度。上海交通大學(xué)發(fā)明了鎂合金專用的非占位式轉(zhuǎn)移涂料技術(shù) [21-22] ：先將涂料涂在模樣表面上，然后在涂料上面充填造型材料，固化后涂層自發(fā)地轉(zhuǎn)移至型芯表面。該技術(shù)中涂層完整地復(fù)制了模型表面的形狀和光潔度，顯著提高了鑄件表面的光潔度和尺寸精度。涂層轉(zhuǎn)移法的關(guān)鍵是陰模制備，通過與快速成形和無收縮硅橡膠復(fù)膜等技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)，可以解決復(fù)雜鎂合金零件有較高光潔度要求非加工面的鑄造難題，典型應(yīng)用如圖 10 所示。

    2.2 大型鑄件低壓鑄造技術(shù)

    鎂合金一般比熱容小、凝固區(qū)間大，容易產(chǎn)生縮松、裂紋、氧化皮夾雜和組織粗大等鑄造缺陷，且難以生產(chǎn)大型、薄壁或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件。上海交通大學(xué)通過計算機(jī)充型與凝固模擬，結(jié)合涂層轉(zhuǎn)移制芯技術(shù) [21] 、坩堝液態(tài)金屬密封技術(shù) [23] 與低壓鑄造技術(shù)，開發(fā)了鎂合金大型鑄件的精密低壓鑄造成型工藝：采用計算機(jī)模擬鑄件在預(yù)設(shè)定工藝下的充型與凝固行為，借以優(yōu)化鑄造工藝，減少合金液充型過程中的液流交匯，控制合金凝固順序；采用雙熔爐、壓力轉(zhuǎn)爐方式保證鎂液的高純凈度；采用新型坩堝密封技術(shù)對坩堝進(jìn)行密封（低熔點(diǎn)合金密封法 [23] ），提高保壓壓力；采用冷鐵、氣體冷卻等方式達(dá)到鑄件所需要的凝固順序；采用保護(hù)氣體加壓技術(shù)，即在干燥壓縮空氣中添加新型的 R152 保護(hù)氣體 [24] ，防止坩堝內(nèi)鎂熔體長期使用因氧化燃燒而造成內(nèi)部壓力波動，使加壓更加平衡；采用涂層轉(zhuǎn)移技術(shù)保障鑄件非加工面的表面光潔度。

    2.3 大型鍛件成型技術(shù)

    為解決航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中大尺寸鎂合金鍛件制備的技術(shù)難題，上海交通大學(xué)在大尺寸半連續(xù)鑄造坯料的基礎(chǔ)上，通過鎂合金塑性變形計算機(jī)模擬與實際鍛造工藝相結(jié)合，開發(fā)了鎂合金大型鍛件成型技術(shù)：通過半連續(xù)鑄造制備大尺寸坯料，目前可制備的最大鑄錠坯料直徑可達(dá) φ 400 mm；通過計算機(jī)模擬確定鍛造工藝，確保鍛件各個方向總的變形量和變形溫升均勻，減小鍛件的各向異性；通過鍛件實際鍛造工藝與計算機(jī)模擬的對比研究，提高后續(xù)計算機(jī)模擬的準(zhǔn)確度；通過鍛造后續(xù)熱處理，調(diào)整鍛件的力學(xué)性能。圖 11 為上海交通大學(xué)制備的典型大鍛件圖片，鍛件長度方向尺寸大于 2 m。

    2.4 鎂合金表面超聲波陽極氧化技術(shù)

    鎂合金極易被腐蝕，其產(chǎn)品一般都需要進(jìn)行表面處理。傳統(tǒng)的鉻酸鹽處理工藝對人體和環(huán)境有害，已經(jīng)被限制使用。上海交通大學(xué)開發(fā)了一種鎂合金超聲陽極氧化表面處理技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的陽極氧化工藝有了較大的進(jìn)步：1）通過施加超聲場形成薄而致密的氧化膜結(jié)構(gòu)，提高了涂層致密性與生長效率、膜層的耐蝕性；2）電解液配方不含 6價鉻離子，對環(huán)境與人體無毒害作用；3）鎂合金氧化時“火花”可控制，可以進(jìn)行“無火花”陽極氧化，避免了強(qiáng)烈火花放電并降低對基體鎂合金疲勞強(qiáng)度的危害；4）形成的氧化層孔隙直徑小，附著力好，表面均勻光滑，不會在棱邊棱角處產(chǎn)生燒損現(xiàn)象 [25] 。圖 12 是經(jīng)鎂合金超聲陽極氧化處理的鎂合金產(chǎn)品，涂層致密、光滑、附著力好。

    鎂合金陽極氧化后可采用多種封孔方法（如氟碳涂層）提高氧化膜耐蝕性，氧化層表面硬度超過HV900。試樣按 GB/T10125—1997 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鹽霧腐蝕性能評價，在 NaCl 濃度為 5%、pH 值為 6.5～7.2、溫度為（35±2） ℃條件下經(jīng) 1 500 h 噴霧試驗，結(jié)果耐蝕性可達(dá) 9 級（最高級）。該工藝已被用于變速箱、電機(jī)殼體、輕彈殼體等各種鎂合金零件的處理。

    3 在航空航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用

    上海交通大學(xué)將先進(jìn)鎂合金材料與成型新工藝相結(jié)合，制備了多種航空航天用部件：1）采用涂層轉(zhuǎn)移精密鑄造技術(shù)和 JDM1 鑄造鎂合金結(jié)合，成功制備了某型號輕型導(dǎo)彈艙體（圖 13）和發(fā)動機(jī)機(jī)匣（圖 14（a）），滿足了艙體和發(fā)動機(jī)機(jī)匣的內(nèi)表面（非加工面）對光潔度的高要求。2）采用大型鑄件低壓鑄造技術(shù)和 JDM2 鑄造鎂合金結(jié)合，成功制備了某型直升機(jī)尾部減速機(jī)匣（圖 14（b））和某型號導(dǎo)彈殼體（圖 14（c））。這兩類鑄件尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用常規(guī)鑄造很難避免鑄造縮松的產(chǎn)生。通過提高低壓鑄造保壓壓力和控制鑄件凝固溫度場的方法，成功解決了上述問題，制備的鑄件已經(jīng)通過用戶嚴(yán)格檢查。3）JDM2 鎂合金與常規(guī)等溫?zé)釘D壓工藝相結(jié)合，成功制備了某型號輕型導(dǎo)彈彈翼（圖 15（a））。4）JDM1 鎂合金與常規(guī)等溫?zé)釘D壓工藝相結(jié)合，成功制備了 φ 145 mm 的無縫管（圖15（b）），該管材用于某型號輕型導(dǎo)彈殼體的制備。

    此外，鎂基氫化物具有儲氫量大、安全穩(wěn)定、燃燒熱值高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是固體推進(jìn)劑的理想添加物，可顯著提高推進(jìn)劑燃燒速率和比沖，并縮短點(diǎn)火時間。上海交通大學(xué)利用氫等離子體電弧法成功制備了納米 MgH 2 粉體，其顯微形貌如圖 16 所示。該粉體材料已進(jìn)入實驗驗證階段，將在航空航天領(lǐng)域用于高能固體推進(jìn)劑的添加劑。

    4 展望

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和航空航天活動的日益頻繁，輕量化趨勢勢必在航空航天制造業(yè)成為主流，具有明顯輕量化作用的新型鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也會越來越廣泛。對于我國這樣一個鎂合金資源大國來說，加快發(fā)展鎂科技、提升我國鎂產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平無疑是抓住當(dāng)前這個機(jī)遇的最佳選擇。只有在技術(shù)上處于先進(jìn)水平，才能把我國的鎂資源優(yōu)勢發(fā)揮出來，在國際行業(yè)競爭上占得先機(jī)。新型鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用除了需要技術(shù)上的革新以外，更離不開航空航天用戶單位的支持。希望我國廣大航空航天企業(yè)能夠以一種開放的、勇于嘗試的心態(tài)去對待新型鎂合金材料，為其擴(kuò)大應(yīng)用提供條件。

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