1 引言

    輕量化是航空航天構(gòu)件材料的重要發(fā)展方向之一。鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，純鎂的密度為1. 74 g /cm3，約為鋁合金的2 /3、鋅合金的1 /3、鋼鐵的1 /4、鈦合金的2 /5，與多數(shù)工程塑料相當(dāng)。鎂合金的應(yīng)用能帶來巨大的減重效益和飛行器戰(zhàn)技性能的顯著提升。商用飛機(jī)與汽車減重相同質(zhì)量帶來的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100 倍，而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10 倍，更重要的是其機(jī)動(dòng)性能改善可極大提高其戰(zhàn)斗力和生存能力。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)星上的重要構(gòu)件，以減輕零件質(zhì)量，提高飛行器的機(jī)動(dòng)性能，降低航天器的發(fā)射成本。

    鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度、高阻尼、電磁屏蔽、良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性，以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能和易回收利用等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21 世紀(jì)綠色工程材料”。然而，鎂合金存在以下缺點(diǎn)： 耐蝕性差，燃點(diǎn)低； 材料強(qiáng)度偏低，尤其是高溫強(qiáng)度和抗蠕變性差； 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。這些缺點(diǎn)限制了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

    本文介紹了鎂合金在航空航天領(lǐng)域研究應(yīng)用的現(xiàn)狀，結(jié)合目前高性能鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)和成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)航空航天領(lǐng)域中鎂合金的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

    2 高性能鎂合金的研究現(xiàn)狀

    2. 1 高強(qiáng)鑄造鎂合金

    鑄造鎂合金具有優(yōu)良的鑄造性能和切削加工性能，常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)等的機(jī)匣及殼體類零部件，能夠很好地滿足零件對(duì)材料的性能要求。這類鎂合金主要是通過不同的液態(tài)成形方法鑄造而成，包括Mg-Al 系、Mg-Zn 系和Mg-ＲE 系等。

    最早應(yīng)用的是Mg-Al 系合金。目前，與鋁合金化的鎂約占鎂合金應(yīng)用總量的43%，鋁仍是鎂合金中應(yīng)用最多的合金元素。當(dāng)前研究比較多的是基于AZ91 的鎂合金，通過添加Ca、Y、Sc、Mn等，開發(fā)出的新型高強(qiáng)鎂合金，在航空航天領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果。如Zhu等人的研究，發(fā)現(xiàn)Mg-9Al-2Sn 合金中添加微量Mn 元素能夠形成Al8 （ Mn，F(xiàn)e） 5 相，并起到晶粒細(xì)化和促進(jìn)時(shí)效強(qiáng)化效果，Mg-9Al-2Sn-0.1Mn 合金T6 處理后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)292 MPa、154 MPa和5%。

    Mg-Zn 系中，Zn 主要起固溶強(qiáng)化作用，熱處理后可提高合金屈服極限。此外，Zn 還可以消除鎂合金中鐵、鎳等雜質(zhì)元素對(duì)腐蝕性能的不利影響。馮凱通過調(diào)整Zn /Al 比值，對(duì)Mg-（ 5% ～20%） Zn-（ 0 ～ 6%） Al 合金組織和性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以獲得強(qiáng)度較高、熱處理效果強(qiáng)化效果顯著的鎂合金，且該合金適宜半固態(tài)成形。研究發(fā)現(xiàn)ZA54 和ZA56、ZA72 和ZA74 合金（ 金屬型） 均具有較為優(yōu)異的力學(xué)性能，其中ZA74 經(jīng)半固態(tài)觸變壓鑄后抗拉強(qiáng)度可達(dá)352 MPa。Wang等在現(xiàn)有Mg-Zn-Al-Mn 合金基礎(chǔ)上添加少量Cu 元素，目的是使合金能在較高溫度下進(jìn)行固溶，促進(jìn)更多的Zn 溶進(jìn)鎂基體，并增加隨后的時(shí)效強(qiáng)化效果。研究發(fā)現(xiàn)Mg-8.0Zn-1.0Al-0.5Cu-0.5Mn 合金的屈服強(qiáng)度可達(dá)228 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到372 MPa，延伸率為16%。Mg-Zn 系合金中一般添加含量大于0. 5%的鋯，其目的是細(xì)化晶粒，形成具有較高性能的Mg-Zn-Zr 系合金。但該類合金具有敏感的顯微縮松和熱裂傾向。通過加入稀土元素可顯著改善合金的鑄造性能和抗蠕變性，據(jù)此開發(fā)出的ZE41 在200℃仍有較高的強(qiáng)度，EZ33 的使用溫度可達(dá)250℃。

    稀土元素對(duì)鎂合金具有固溶和沉淀強(qiáng)化作用。在鎂合金中添加稀土元素能夠提高合金的室溫和高溫強(qiáng)度、提高高溫蠕變抗力、改善鑄造性能，同時(shí)有利于提高耐蝕性，從而使Mg-ＲE 系合金具有較高的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的抗蠕變性能、良好的耐熱和耐蝕性能。目前，Y、Nd、Gd、Sm 為Mg-ＲE 系合金添加的主要元素。付彭懷對(duì)Mg-Nd-Zn-Zr 合金進(jìn)行成分優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)Mg-Nd 合金中加入微量Zn 元素使合金的塑性變形機(jī)制發(fā)生改變，時(shí)效時(shí)析出β‘或β″相，從而明顯改善Mg-Nd 合金的力學(xué)性能。其中Mg-3Nd-0. 2Zn-Zr（ NZ30K） 具有優(yōu)異的力學(xué)性能（ 見表1） 。章楨彥用具有更高的極限固溶度的Gd和Sm 替換WE 系列的Y 和Nd 元素，系統(tǒng)研究了Mg-（ 6-10 ） Gd-（ 2-6 ） Sm-Zr 合金。結(jié)果表明該系合金具有良好的固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化效果，對(duì)于鑄造合金，峰時(shí)效態(tài)GS62K 合金的室溫抗拉強(qiáng)度最高（ 360 MPa ） ，但屈服強(qiáng)度（ 204 MPa） 較低； GS102K 合金的綜合室溫力學(xué)性能最佳，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為： 237 MPa、347 MPa 和3. 2%。何上明系統(tǒng)研究了高強(qiáng)耐熱Mg-（ 6-12） Gd-（ 1-3） Y-Zr 合金，發(fā)現(xiàn)GW103K 和GW123K 的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率組合分別為： 241 MPa-370 MPa-4. 1%和248 MPa-328 MPa-1. 1%，其時(shí)效強(qiáng)化相主要為β’相。

    2. 2 高強(qiáng)變形鎂合金

    變形鎂合金的強(qiáng)度和延伸率一般優(yōu)于鑄造鎂合金，這是由于鎂合金經(jīng)熱變形后，組織得到細(xì)化，成分更均勻，內(nèi)部更致密。因此航空航天器特別是導(dǎo)彈、衛(wèi)星以及航天飛機(jī)大量應(yīng)用變形鎂合金。該類合金成分同樣包括Mg-Al 系、Mg-Zn 系和Mg-ＲE 系等。

    近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)有鎂合金進(jìn)行成分優(yōu)化，開發(fā)出不同高強(qiáng)變形鎂合金。Wang等在Mg-5Al-0.3Mn 合金中添加少量的Ce，時(shí)效后析出Al11 Ce3 相，并沿晶界分布。Mg-5Al-0.3Mn-1.5Ce 合金熱軋后，晶粒得到細(xì)化，尺寸為15 μm，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別由88 MPa、203 MPa提升到225 MPa、318 MPa，但延伸率從20%下降至9%。張金龍等研究發(fā)現(xiàn)AZ113 鎂合金擠壓后，晶粒尺寸由120 μm 減小到30 μm，性能得到大幅度提升，抗拉強(qiáng)度可達(dá)353 MPa，延伸率為9. 5%;經(jīng)T5 處理后，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到420 MPa。

    Zhang在Mg-Zn 系合金的基礎(chǔ)上加入微量稀土Er，開發(fā)了高強(qiáng)高韌低成本的Mg-9Zn-0.6Zr-0.6Er 合金。該合金中由于Er 的加入形成了含Er 和Zn 的熱穩(wěn)定相，提高了合金的變形能力，并改善了合金的組織。擠壓后使第二相MgZn2顆粒尺寸減小，力學(xué)性能提高。Alok Singh等研究準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Y 合金，發(fā)現(xiàn)Mg-14.4Zn-3.3Y 經(jīng)固溶、擠壓、時(shí)效處理后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為365 MPa、380 MPa和8%。

    Du等研究了V 對(duì)含有LPSO 結(jié)構(gòu)的Mg-Er-Cu合金的影響，發(fā)現(xiàn)V 的加入使合金中的LPSO 結(jié)構(gòu)由粗大的塊狀變?yōu)榧?xì)小的層狀。Mg-10Er-2Cu和Mg-10Er-2Cu-V 合金擠壓后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率組合分別為320 MPa-380 MPa-15% 和370 MPa-430 MPa-11%。Zhang等對(duì)Mg-2.7Nd-0. 2Zn-0.4Zr 固溶態(tài)合金進(jìn)行擠壓，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)394 MPa、417 MPa 和2. 6%。Xu等研究不同擠壓工藝、大變形熱軋和時(shí)效處理Mg-8.2Gd-3.8Y-1. 0Zn-0.4Zr 合金板材，發(fā)現(xiàn)不同工藝成形的合金力學(xué)性能不同，在400℃熱軋、200℃時(shí)效時(shí)具有較高的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率組合可達(dá)372 MPa-473 MPa-10.2%，力學(xué)性能的提高主要是由于晶內(nèi)的β‘相，LPSO 結(jié)構(gòu)和晶界處彌散分布的立方Mg-Gd-Y 相的析出。何上明研究發(fā)現(xiàn)Mg-12Gd-3Y-Zr 變形鎂合金熱擠壓后進(jìn)行應(yīng)變時(shí)效處理，其室溫力學(xué)性能可達(dá)到Ｒm = 491 MPa，Ｒp 0. 2 = 436MPa，A = 3% ～ 6% 。陳彬采用普通熔鑄工藝結(jié)合等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備了Mg95. 5Y3Zn1. 5和Mg97Y2Zn1，Mg95. 5Y3Zn1. 5合金的最高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到444. 6 MPa 和472. 7 MPa，Mg97Y2Zn1 合金的最高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到406. 2 MPa 和455. 2 MPa，章楨彥研究發(fā)現(xiàn)400℃擠壓+ 200℃峰時(shí)效處理的GS102K 合金，綜合室溫力學(xué)性能最佳，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為315 MPa、410 MPa和4. 9%。

    2. 3 高阻尼鎂合金

    高阻尼鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用是防振減噪的有效措施之一。純鎂及其合金的阻尼機(jī)制屬于缺陷阻尼的位錯(cuò)阻尼，其內(nèi)耗可以分為阻尼共振型和靜滯后型兩類。工程上應(yīng)用的高阻尼主要是利用與振幅有關(guān)，與頻率無關(guān)的靜滯后型。目前主要通過合金化、變形工藝改性、對(duì)現(xiàn)有高強(qiáng)鎂合金進(jìn)行改性等方法開發(fā)高強(qiáng)度阻尼鎂合金。

    在鎂合金中添加Zr、Ni、Mn、Cu、Si、Ca、La、Nd 等元素可形成不同阻尼鎂合金，其中較為典型的有Mg-Zr 系、Mg-Ni 系和Mg-Cu-Mn 系鎂合金。最近，付彭懷等通過研究AZ91D、ZK51、WE43、NZ30K、GW103K、GW83K 等高強(qiáng)度鎂合金室溫下的阻尼性能，發(fā)現(xiàn)上述鎂合金在10%的屈服強(qiáng)度時(shí)的比阻尼性能P0 . 1 在4. 71% ～ 8. 55%之間，屬于中等阻尼性能材料，阻尼性能的排序?yàn)閃E43＜ ZK51 ＜ GW103K ＜ AZ91D ＜ GW83K ＜ NZ30K。固溶處理后的峰值時(shí)效熱處理通常會(huì)降低高強(qiáng)度鎂合金的阻尼性能，這與細(xì)小彌散的析出相有關(guān)，如AZ91D 合金中的β 相，WE43 的β’（ cbco） 亞穩(wěn)相，GW103K 的β‘亞穩(wěn)相，NZ30K 中的β″（ DO19 ）亞穩(wěn)相，位錯(cuò)很難擺脫這些析出相的強(qiáng)釘扎作用，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)掃過的面積越小，表明材料振動(dòng)消耗動(dòng)能也越小，材料的阻尼性能越差。高溫過時(shí)效處理可能會(huì)提高合金的阻尼性能，其原因主要是由于析出相的粗化和析出相密度的減少導(dǎo)致材料振動(dòng)消耗動(dòng)能的增大。

    近年來許多研究都表明鎂合金的LPSO 結(jié)構(gòu)在提高強(qiáng)度的同時(shí)，能夠提高合金的阻尼性能。Tang等研究表明LPSO 結(jié)構(gòu)能夠提高M(jìn)g-Zn-Y-Zr 合金的阻尼性能并用Shockley 不全位錯(cuò)移動(dòng)模型進(jìn)行解釋。Qing等研究發(fā)現(xiàn)Mg-Ni-Y合金中隨著LPSO 結(jié)構(gòu)的增加，合金的臨界應(yīng)變振幅逐漸減小，導(dǎo)致合金的位錯(cuò)釘扎作用減弱，合金的阻尼性能增加。Lu等研究發(fā)現(xiàn)Mg-Zn-Y合金中，含有棒狀LPSO 結(jié)構(gòu)的合金阻尼性能比含有塊狀和層狀LPSO 結(jié)構(gòu)的合金的阻尼性能高。Wang等研究同樣發(fā)現(xiàn)在Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中，LPSO 能夠提高合金的屈服強(qiáng)度和阻尼性能。此外，Xu等也發(fā)現(xiàn)Mg-4Er-4Gd-1Zn 中的層錯(cuò)使該合金也具有較高的阻尼性能。LPSO 結(jié)構(gòu)提高合金的阻尼性能的機(jī)理并不能用G-L 位錯(cuò)阻尼理論描述，有待進(jìn)一步研究。

    2. 4 高溫鎂合金

    目前，傳統(tǒng)高溫鑄造鎂合金主要發(fā)展了Mg-Al-Zn-Ca、Mg-Al-Si、Mg-AL-ＲE、Mg-Zn-Cu 系合金及稀土鎂合金，這些合金性能穩(wěn)定，在高溫時(shí)蠕變性能好。另外，Zhu等通過對(duì)比不同壓鑄高溫鎂合金的組織、拉伸強(qiáng)度和蠕變性能，發(fā)現(xiàn)MＲI230D（ Mg-6.5Al-2Ca-1Sn-0.3Sr） ，AXJ530（ Mg-5Al-3Ca-0.2Sr ） 和AM-HP2 + （ Mg-3.5ＲE-0.4Zn） 的屈服強(qiáng)度優(yōu)于A380 鋁合金，但室溫韌性很差。與之相反，AS31 （ Mg-3Al-1Si ） 和AE（ Mg-Al-ＲE） 系列合金室溫韌性好，屈服強(qiáng)度比A380 鋁合金低。MＲI230D、AXJ530（ Mg-5Al-3Ca-0. 2Sr） 、AE44 （ Mg-4Al-4ＲE ） 和AM-HP2+ 在150℃和175℃的抗蠕變性與鋁合金相當(dāng)。

    如前所述，Mg-ＲE 系合金具有較高的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的抗蠕變性能、良好的耐熱和耐蝕性能。其中含Nd、Y 的WE54、WE43 稀土鎂合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，使用溫度高達(dá)250℃，在航空航天工業(yè)中大量用。Mordike B L等研究了Mg-Y-Zn-Zr、Mg-Zn-Y、Mg-Y-Zr 等幾種典型抗蠕變稀土鎂合金，發(fā)現(xiàn)Y 元素具有較好的強(qiáng)化效果，并指出WE 系合金是比較理想的抗蠕變鎂合金的基體合金系； 并在Mg-Y 合金中加入Sc 和Mn，開發(fā)出抗蠕變性優(yōu)于WE43 合金的Mg-4YSc-1Mn 合金。高巖研究發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)Mg-10Y-5Gd-0.5Zr 合金T6 處理后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都明顯高于同狀態(tài)的WE54 合金，Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr 合金在250℃和300℃的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到326 MPa 和261 MPa。章楨彥研究發(fā)現(xiàn)峰時(shí)效態(tài)Mg-Gd-Sm-Zr 擠壓合金的抗拉強(qiáng)度隨測(cè)試溫度（ T） 升高而降低，在溫度小于200℃時(shí)，仍具有良好的高溫短時(shí)拉伸性能，合金抗拉強(qiáng)度均在250 MPa 以上，溫度大于200℃時(shí)力學(xué)性能大幅下降，降幅超過峰時(shí)效態(tài)鑄造合金。除GS62K合金外的其它Mg-Gd-Sm-Zr 合金，從室溫至250℃的抗拉強(qiáng)度比WE54 商用鍛造耐熱鎂合金高出30 ～ 85 MPa。擠壓合金適用于室溫至200℃，鑄造合金適用于室溫至250℃。尹冬弟研究發(fā)現(xiàn)Mg-11Y-5Gd-2Zn-0. 5Zr（ WGZ1152） T6 態(tài)合金在25～400 ℃范圍內(nèi)，抗拉及屈服強(qiáng)度均要顯著優(yōu)于商用耐熱鎂合金WE54-T6 和活塞用耐熱鋁合金AC8A-T6。其在300℃的抗拉和屈服強(qiáng)度分別高于250 MPa 和225 MPa。此外，在300℃相同應(yīng)力條件下，其最小蠕變速率比WE54-T6 低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比AC8A-T6 低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，與應(yīng)用溫度最高的HZ32-T5 耐熱鎂合金相當(dāng)。何上明研究表明Mg-Gd-Y-Zr 合金系的高溫穩(wěn)定性能非常好，在200～250 ℃之間仍具有良好的力學(xué)性能。該合金系的抗蠕變性能和抗腐蝕性能也很好。其中GW123K 和GW102K 的瞬間高溫拉伸強(qiáng)度高于2618 耐熱鋁合金和WE54 商業(yè)耐熱鎂合金。

    3 鎂合金成形工藝

    鎂合金成形工藝主要可分為液態(tài)成形工藝和固態(tài)成形工藝。其中液態(tài)成形主要包括重力鑄造、低壓鑄造、壓鑄、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造等。固態(tài)成形又稱塑性加工成形，包括擠壓、鍛造、軋制、沖壓、拉深等。此外，還有一些新型成形技術(shù)，如快速凝固/粉末冶金、噴射沉積等。

    3. 1 液態(tài)成形工藝

    3. 1. 1 重力鑄造

    鎂合金可以用不同的重力鑄造方法生產(chǎn)，如砂型鑄造、熔模鑄造、金屬模鑄造、半金屬模鑄造、殼型鑄造等。其中鎂合金的砂型鑄造經(jīng)歷了普通粘土砂、水玻璃砂、自硬樹脂砂的發(fā)展階段。采用自硬樹脂砂造型制芯工藝，可以提高鑄件的質(zhì)量，簡化工藝程序，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化的生產(chǎn)和提高模具使用壽命，并減少有害氣體，是大型復(fù)雜鑄件走向精確化的方向。熔模鑄造又稱失蠟法，通常是在蠟?zāi)１砻嫱可蠑?shù)層耐火材料，待其硬化干燥后，將其中的蠟?zāi)Ｈ廴ザ瞥尚蜌ぃ俳?jīng)過焙燒，然后進(jìn)行澆注，而獲得鑄件。由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱“熔模精密鑄造”。

    3. 1. 2 低壓鑄造

    鎂合金一般熱容小、凝固區(qū)間大，容易產(chǎn)生裂紋、充填不均勻、偏析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。利用低壓鑄造平穩(wěn)的充型和順序凝固特點(diǎn)可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的鎂合金鑄件。李新雷［34］等研制了一種鎂合金低壓鑄造專用混合保護(hù)氣體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣、SF6 和CO2 三種氣體按比例混合，同時(shí)提供常壓熔煉、低壓過程保護(hù)、泄露保護(hù)三路供氣支路。該混氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂合金低壓鑄造全過程的有效阻燃保護(hù)。此外，他們還提出了一種采用雙工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過臺(tái)車的移動(dòng)與升降，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)鎂合金低壓鑄造設(shè)備在不同工位之間的切換，保證鎂合金鑄件生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行的鎂合金低壓鑄造連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)。丁文江等［2］將涂層轉(zhuǎn)移制芯技術(shù)、坩堝液體金屬密封技術(shù)與低壓鑄造技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了鎂合金大型鑄件的精密低壓鑄造成型工藝，并采用雙爐熔爐、壓力轉(zhuǎn)爐方式保證鎂液的高純凈度。該工藝具有精密成型尺寸精度高、壓力凝固組織致密、涂層轉(zhuǎn)移表面光潔等諸多優(yōu)勢(shì)，目前也已經(jīng)具備研發(fā)并小批量試制質(zhì)量達(dá)100 kg 鎂合金鑄件的能力。

    3. 1. 3 壓鑄

    鎂合金熔點(diǎn)較低（ 純鎂約為650℃） ，凝固潛熱小，凝固速度快，且合金液黏度低、流動(dòng)性好，特別適于壓鑄生產(chǎn)。但常規(guī)壓鑄的零件無法進(jìn)行熱處理，不能通過時(shí)效強(qiáng)化。近幾十年來發(fā)展起來的真空壓鑄、充氧壓鑄和半固態(tài)壓鑄則可解決該問題。真空壓鑄在壓鑄過程中先抽除型腔內(nèi)的氣體，從而減小甚至消除壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，提高鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。充氧壓鑄則是在熔體充型前將氧氣或其他活性氣體充入型腔以置換型內(nèi)空氣。充型過程中，活性氣體與金屬液反應(yīng)生成彌散分布的金屬氧化物，達(dá)到消除壓鑄件內(nèi)氣體和氣孔的目的。半固態(tài)壓鑄可分為流變壓鑄和觸變壓鑄。流變壓鑄是將制備好的半固態(tài)漿料直接轉(zhuǎn)移到壓室進(jìn)行壓鑄，而觸變壓鑄則是將預(yù)制的組織細(xì)小的半固態(tài)錠料重新加熱到半固態(tài)區(qū)間進(jìn)行壓鑄的成形工藝。無論是流變壓鑄還是觸變壓鑄，金屬液在半固態(tài)區(qū)間充型平穩(wěn)，避免了紊流的充型方式，因此可顯著減少壓鑄件的疏松縮孔。

    此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港佳瑞集團(tuán)近年合作研發(fā)了一種新型工藝———鑄鍛雙控成型技術(shù)。該工藝可以在同一成型過程中連續(xù)完成壓鑄和鍛造兩種工藝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件形狀、尺寸和性能的精確控制。鑄鍛雙控成型不僅可以像壓鑄一樣控制零件形狀和尺寸，而且可以使零件產(chǎn)生塑性變形，強(qiáng)度得到較大提高，同時(shí)還可以通過熱處理提高強(qiáng)度。

    3. 1. 4 半固態(tài)鑄造

    半固態(tài)成形是一種新型、先進(jìn)的工藝方法，與傳統(tǒng)的液態(tài)成形相比，具有成形溫度低，模具壽命長，改善生產(chǎn)條件和環(huán)境，細(xì)化晶粒，減少氣孔，疏松縮孔，提高組織致密性，提高鑄件質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。

    半固態(tài)成形可分為流變成形和觸變成形。目前，在半固態(tài)漿料制備方面，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)明了不同的制備工藝，目的都是為了獲得細(xì)小、圓整的初生顆粒均勻地懸浮于液相之中的理想半固態(tài)組織，隨后結(jié)合不同工藝進(jìn)行成形，充分發(fā)揮半固態(tài)成形的優(yōu)勢(shì)。其中半固態(tài)觸變注射成形最為成熟，具有工藝簡單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于鎂合金生產(chǎn)中。

    3. 2 固態(tài)成形工藝

    3. 2. 1 擠壓

    鎂合金塑性較差，適合擠壓成形，一般為溫?cái)D壓和熱擠壓，擠壓溫度通常為300～ 450 ℃。鎂合金擠壓有以下優(yōu)點(diǎn)： 可細(xì)化晶粒、通過保留擠壓纖維織構(gòu)可提高強(qiáng)度、可獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量及良好的尺寸精度。目前，鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產(chǎn)品主要采用擠壓成形。但鎂合金擠壓也存在擠壓速度慢、變形抗力大、擠壓加工后由于形成織構(gòu)而造成材料力學(xué)性能的各向異性等缺點(diǎn)。

    3. 2. 2 鍛造

    鎂合金鍛造一般有兩種方式： 自由鍛和模鍛。常用來鍛造的鎂合金有ZK 系列和AZ 系列鎂合金。鎂合金鍛件的力學(xué)性能通常取決于鍛造過程中所產(chǎn)生的應(yīng)變硬化程度。鍛造溫度越低，其應(yīng)變硬化效果越顯著，然而溫度過低時(shí)鍛件容易開裂，過高時(shí)則氧化嚴(yán)重。在傳統(tǒng)的鍛造工藝上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)—精密鍛造，可成形流線沿鍛件幾何外形分布的高精度、復(fù)雜形狀鍛件，同時(shí)能提高鍛件的承載能力。此外，鎂合金鍛造溫度范圍窄，導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的兩倍，接觸模具降溫快，容易導(dǎo)致塑性降低、變形抗力增大、充填性能下降，因此適合等溫鍛造成形。精密沖鍛成形技術(shù)是將沖壓成形與鍛造成形相結(jié)合產(chǎn)生的新工藝，是適用于鎂合金成形的很有發(fā)展前途的工藝。主要是將加熱后的鎂合金坯料在加熱模具中進(jìn)行沖壓和鍛造，采用普通機(jī)械式鍛壓機(jī)床即可，其技術(shù)關(guān)鍵在于成形模具與成形工藝設(shè)計(jì)，以及模具溫度、變形率與變形速度等參數(shù)控制。與壓鑄和半固態(tài)成形工藝比較，該技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、成品率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

    3. 2. 3 軋制

    鎂合金的帶材及板材一般采用軋制成形的方法生產(chǎn)。軋制過程可以細(xì)化晶粒，改善鎂合金組織，顯著提高鎂合金的力學(xué)性能。軋制溫度是鎂合金軋制過程中的關(guān)鍵參數(shù)。軋制溫度過低時(shí)，高的應(yīng)力集中可導(dǎo)致孿晶形核和切變斷裂； 軋制溫度過高時(shí)，晶粒容易長大而使板材熱脆傾向增大。

    3. 2. 4 鎂板

    差溫拉深工藝鎂合金室溫塑性變形能力較差，鎂合金板材在室溫下沖壓成形幾乎是不可能的，即使是高溫下等溫沖壓其成形性仍然較差。范立坤等開發(fā)了一種鎂板差溫拉深工藝以及相關(guān)的板料成形實(shí)驗(yàn)機(jī)，通過計(jì)算機(jī)程序控制，可對(duì)鎂板不同部位根據(jù)其深沖時(shí)的變形程度進(jìn)行差溫加熱，并精確控制動(dòng)態(tài)壓邊力，綜合利用鎂合金在高溫時(shí)的變形能力和低溫時(shí)的加工硬化能力，從而實(shí)現(xiàn)在較低的成形溫度下達(dá)到更高的極限拉深比。

    4 鎂合金在航空航天領(lǐng)域的研究應(yīng)用

    鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。載荷質(zhì)量每減輕1 kg，整個(gè)運(yùn)載火箭的起飛質(zhì)量就可減輕50 kg，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量就可減輕100 kg; 戰(zhàn)斗機(jī)質(zhì)量若減輕15%，則可縮短飛機(jī)滑跑距離15%，增加航程20%，提高有效載荷30%; 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)減重1 kg，飛機(jī)結(jié)構(gòu)可減重4 kg，升限高度可提高10 m。20 世紀(jì)20 年代鎂合金開始應(yīng)用于航空領(lǐng)域。表2 為20 世紀(jì)鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況。從表中可以看出鎂合金主要用于制造飛機(jī)、轟炸機(jī)、導(dǎo)彈等軍用裝備。戰(zhàn)爭年代武器裝備大量戰(zhàn)損，使用壽命較短，鎂合金耐蝕性差的缺點(diǎn)被掩蓋。到了七、八十年代，由于發(fā)現(xiàn)鎂合金的耐蝕性差，特別是電化學(xué)腐蝕以及抗疲勞和蠕變的性能差，加上鋁合金的迅速發(fā)展，鎂合金的用量大幅度減少。而到了20 世紀(jì)90 年代，在汽車工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，解決了一些鎂及其合金的一些存在的問題，帶來了第二個(gè)鎂合金的研究和應(yīng)用的高潮，也重新引起了航空航天工業(yè)使用鎂材料的興趣。

    4. 1 國外航空航天領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

    4. 1. 1 對(duì)鎂合金投入研究進(jìn)展

    進(jìn)入21 世紀(jì)，鎂及鎂合金正重新登上航空航天的舞臺(tái)。歐盟自1996 年以來在FP4、FP5、FP6領(lǐng)域內(nèi)開展了一系列項(xiàng)目對(duì)鎂合金進(jìn)行研究。其中，對(duì)未來航空航天領(lǐng)域起指導(dǎo)作用的主要有兩個(gè)項(xiàng)目，具體介紹如下：

    2005 年3 月至2008 年12 月，歐盟在FP6 框架內(nèi)實(shí)施了一個(gè)名為“變形鎂合金在航空航天器的應(yīng)用（ Aeronautical application of wrought magnesium，AEＲOMAG） ”的研究項(xiàng)目，共有20 個(gè)單位參與，其中有3 個(gè)航空航天制造企業(yè)即空客公司、歐洲直升機(jī)公司（ Eurocopter） 和意大利阿萊尼亞（ Alenia） 公司，2 個(gè)俄羅斯的研究院、即圣彼得堡輕金屬研究院和莫斯科航空材料研究院，還有7所大學(xué)、8 個(gè)鎂材生產(chǎn)企業(yè)參與，對(duì)鎂合金的冶煉、成形工藝、燃燒性能、表面處理、連接技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能等進(jìn)行了全方位的研究，取得一系列成果。

    該項(xiàng)目所用鎂合金主要為Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr-Ｒe和Mg-Y-Ｒe 系合金。圖1 為商用合金和新開發(fā)合金的力學(xué)性能。一系列研究結(jié)果表明，鎂合金可以取代中等強(qiáng)度的5xxx 鋁合金，對(duì)于某一項(xiàng)性能鎂合金可以達(dá)到甚至超過高強(qiáng)度的2xxx 合金，但是綜合考慮強(qiáng)度、疲勞、加工、耐蝕、耐溫等性能，沒有一種鎂合金可以與2xxx 鋁合金等同。

    這說明在較長一段時(shí)間之內(nèi)，鎂合金不可能在結(jié)構(gòu)制造層面上部分代替鋁合金，而在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用。2006 年8 月至2009 年9 月，歐盟在FP6 框架內(nèi)實(shí)施了AEＲOMAG 項(xiàng)目的姊妹項(xiàng)目———航空工業(yè)鎂合金的成形新技術(shù)研究（ Development ofNew Magnesium Forming Technologies for the AeronauticsIndustry，MAGFOＲMING） 。共有12 個(gè)單位參與了該項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用鍛造、超塑性成形、彎輥、橡皮囊液壓成形、拉深和蠕變成形等不同成形技術(shù)，用以制造不同航空航天零件。MAGFOＲMING項(xiàng)目開發(fā)了許多可行的傳統(tǒng)鎂合金和新型鎂合金的商業(yè)化成形方法。根據(jù)這兩個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果，Ostrovsky I 等預(yù)測(cè)在2015—2020 年期間，民用飛機(jī)使用10% ～ 15%的鎂合金零部件是符合實(shí)際的目標(biāo)。

    此外，德國在2006 年以來也加大投入對(duì)鎂合金的研究。2015 年2 月，德國的座椅制造商ZIMFLUGSITZ GmbH 公司利用美國MagnesiumEletron 公司提供的Elektron 43 鎂合金已成功用于生產(chǎn)航空座椅（ 見圖2） ，該座椅在保持強(qiáng)度和韌性的前提下，取代現(xiàn)有鋁合金座椅，減重25%。這是變形鎂合金在航空取代鋁合金的巨大進(jìn)展。如果能通過美國聯(lián)邦航空管理局（ FAA） 的嚴(yán)格測(cè)試，SAE 標(biāo)準(zhǔn)AS8049 中不能使用鎂合金的規(guī)定將會(huì)取消，并在2015 年發(fā)布新的SAE 標(biāo)準(zhǔn)AS8049c。可以預(yù)測(cè)Elektron 43 鎂合金在不久的將來為商用飛機(jī)設(shè)計(jì)師和經(jīng)營者帶來輕量化的好處。可以肯定的是，鎂及鎂合金的顯著優(yōu)勢(shì)，未來航空航天工業(yè)將越來越倚重于鎂合金在減重方面的巨大潛能。

    4. 1. 2 鎂合金在航天飛行器的應(yīng)用

    美國海軍衛(wèi)星上已將鎂合金復(fù)合材料用于支架、軸套、橫梁等結(jié)構(gòu)件，其綜合性能優(yōu)于鋁基復(fù)合材料。“德熱來奈”飛船的起動(dòng)火箭“大力神”

    曾使用了600 kg 的變形鎂合金； “季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675 kg 的變形鎂合金； 直徑約1 m 的“維熱爾”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。英國Bloodhound MK-2 （ 彈體直徑546 mm，最高速度2. 7 馬赫） 地空導(dǎo)彈艙體采用新型耐熱鎂合金鑄件和鍛件制成。日本利用鎂合金低密度的特征，開發(fā)了旨在提高具有鎂合金機(jī)翼的超音速飛行器特性的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以鎂合金成功地制作出了質(zhì)量僅為1 kg 的超小型人造衛(wèi)星。

    德國金牛座系統(tǒng)公司和瑞典博福斯公司合作開發(fā)的動(dòng)能侵徹和毀傷導(dǎo)彈KEPD-350（ 圖3） 于2010 年交付使用。全彈長5 m，射程350 km，飛行馬赫數(shù)達(dá)0. 9 ～0. 95 M。該導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)中，加強(qiáng)框、壁板、舵面、隔板等30 余種零件分別使用了約100 kg的GW83 和ZK61 等高性能鎂合金。全彈總質(zhì)量控制在1400 kg 以內(nèi)，保障了戰(zhàn)斗部毀傷效能的發(fā)揮，能夠侵徹4 層鋼加固混凝土層后爆炸。2007 年美國雷聲公司（ Ｒaytheon Company） 為美國海軍研發(fā)的AGM-154C（ 圖4） 配備英國BAE系統(tǒng)公司的布羅奇侵徹戰(zhàn)斗部（ 227 kg） ，彈長406 cm，低空投擲的滑行距離達(dá)到22 km，高空投擲的滑行距離達(dá)到120 km，命中精度達(dá)到3 km以內(nèi)，能有效攻擊工業(yè)設(shè)施、后勤系統(tǒng)等牢固的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。其中，裝藥戰(zhàn)斗部可穿透125 mm 厚的裝甲板，破片每枚重約30 g，可毀傷15 m 內(nèi)的輕型車輛75 m 內(nèi)的飛機(jī)。為保障戰(zhàn)斗部的有效毀傷能力，除大量應(yīng)用鋁合金外，還應(yīng)用了一定數(shù)量的高強(qiáng)韌鑄造鎂合金，如連接艙艙體、尾艙艙體、翼片骨架、設(shè)備箱箱體等就采用了改性后的AZ91E 和AZ91D，力學(xué)性能和耐蝕能力均能夠滿足侵徹炸彈的整體要求。全彈質(zhì)量控制在483 kg以內(nèi)。

    4. 2 國內(nèi)航空航天領(lǐng)域的研究應(yīng)用

    我國用于航空航天工業(yè)中的鎂合金主要有鑄造稀土鎂合金ZM2、ZM3、ZM4、ZM5、ZM6、ZM9 和變形稀土鎂合金MB25、MB26。其中ZM2 應(yīng)用于渦噴-7、渦噴-13 發(fā)動(dòng)機(jī)的前機(jī)匣、后機(jī)匣和主機(jī)匣等零件。ZM3 用于制造殲-6 飛機(jī)渦噴-6 發(fā)動(dòng)機(jī)的前艙鑄件和渦噴-11 發(fā)動(dòng)機(jī)的離心機(jī)匣； 用ZM4 制造飛機(jī)液壓恒速裝置殼體。某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的附件傳動(dòng)機(jī)匣和減速器機(jī)匣采用ZM5 制造（ 圖5） ，我國研制的昆侖號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣采用ZM5 鎂合金，某燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)的附件傳動(dòng)后機(jī)匣（ 圖6） 選用ZM6 鎂合金，某型直升機(jī)主減速器主機(jī)匣采用ZM6 鎂合金，可在海洋環(huán)境下使用，MB25 可以制造飛機(jī)機(jī)身長桁和操作系統(tǒng)的栓臂、支座等受力構(gòu)件。我國的殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星和飛船上均選用了稀土鎂合金構(gòu)件。

    據(jù)有關(guān)資料介紹，某一型號(hào)的飛機(jī)選用了近400件鎂合金結(jié)構(gòu)件。我軍研制生產(chǎn)的紅旗-9B 導(dǎo)彈，其彈體就是采用高強(qiáng)度鎂合金材料制造的，由此把彈體總質(zhì)量控制到了1200 kg，體積也大為縮小，最高速度提升到6 馬赫。

    目前，我國高校、研究所和航空航天企業(yè)對(duì)鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也做了相關(guān)研究，并取得一系列成果。華中科技大學(xué)的呂炎等研究了復(fù)雜形狀鎂合金的成形工藝，采用等溫精密鍛造工藝成功地成形了復(fù)雜的鎂合金飛機(jī)上機(jī)匣。

    采用反重力的真空低壓消失模鑄造方法，澆注成形了飛機(jī)導(dǎo)輪和排氣管等多種復(fù)雜的Mg 合金鑄件。北京衛(wèi)星制造廠近年開展了大量技術(shù)攻關(guān)和設(shè)備改造，突破了大型鎂合金表面的防腐處理、機(jī)械加工、焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型鎂合金結(jié)構(gòu)件在多個(gè)航天器上的應(yīng)用。開展了鎂合金表面涂覆、微弧氧化、高發(fā)射率表面陽極化處理等技術(shù)研究，突破了鎂合金表面防腐、導(dǎo)電性和高發(fā)射率熱控要求的綜合表面處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鎂合金在航天器電子產(chǎn)品機(jī)箱中的應(yīng)用，達(dá)到了產(chǎn)品輕量化的目標(biāo)。中科院金屬所研發(fā)的G04 鎂合金成功應(yīng)用在神舟飛船（ SZ-6） 的電控箱上，為其減重約13 kg。該零件具體使用于地球表面到近地軌道飛船運(yùn)行軌道的空間環(huán)境。隨后該合金又成功制造出天宮1 號(hào)等其他多個(gè)型號(hào)的航天器零部件。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，成功制備了某型號(hào)輕型導(dǎo)彈艙體（ 圖7） 、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，某型號(hào)輕型導(dǎo)彈彈翼，直徑145 mm 的無縫管用于某型號(hào)輕型導(dǎo)彈殼體的制備（ 圖8） 、某型號(hào)直升機(jī)尾部減速機(jī)匣和某型號(hào)導(dǎo)彈殼體（ 圖9） 、某型雷達(dá)部件（ 圖10） 。

    4. 3 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)比

    國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域?qū)︽V合金的需求基本一致。但國外鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用較早，在20 世紀(jì)已經(jīng)開發(fā)了AZ91E、EZ33、ZE41、QE22、EQ21、WE43、WE54 等不同成分鎂合金用于航空航天領(lǐng)域。如4. 1 所述，美國、德國和歐洲其他發(fā)達(dá)國家對(duì)鎂合金的研究開展了多個(gè)項(xiàng)目，取得很多有益的成果，其工業(yè)基礎(chǔ)也比較雄厚。我國對(duì)鎂合金的研究應(yīng)用較晚。在十五期間，我國在攻關(guān)計(jì)劃和863 計(jì)劃中相繼啟動(dòng)相關(guān)鎂合金材料的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作，有效地推動(dòng)了我國鎂合金的應(yīng)用。

    目前，在高性能鎂合金的開發(fā)方面，我國新研發(fā)的鎂合金與國外商用合金在合金成分上有微小的差別。如商用Elektron 21 與NZ30K 鎂合金均已在航空航天領(lǐng)域取得應(yīng)用，而Elektron 21 是在NZ30K 上添加少量Gd 元素形成的合金。這說明在我國現(xiàn)有高強(qiáng)鎂合金上，可以通過微合金化調(diào)整成分，以適用不同場(chǎng)合，從而使合金商業(yè)化，使產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。在高性能鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用方面，國內(nèi)當(dāng)前都停留在一些簡單小體積，用于低溫環(huán)境的非受力/次承力結(jié)構(gòu)件，而國外在大型、復(fù)雜、承力結(jié)構(gòu)件已有部分應(yīng)用。此外，我國的腐蝕防護(hù)技術(shù)和國外還有一定的差距，鑄件成品率也較低。究其原因，主要是我國對(duì)先進(jìn)鎂合金材料的研究時(shí)間較短，工業(yè)基礎(chǔ)也較薄弱。

    5 展望

    隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，輕量化勢(shì)必成為航空航天制造業(yè)的主流，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的新型鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。我國是鎂合金資源大國，加快發(fā)展鎂合金科技、提升我國鎂產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，使我國鎂產(chǎn)業(yè)從資源優(yōu)勢(shì)向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變，無疑是當(dāng)前的最佳選擇。新型鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用需要相關(guān)高校、研究所和航空航天企業(yè)相互合作，在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)航空航天鎂合金產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，擴(kuò)大鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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