原標題：鎂合金的研究現狀與發展趨勢

摘 要：介紹了鎂合金的特點、材料分類與國內外應用現狀，重點闡述了鎂合金材料的典型應用、材料研究現狀與發展趨勢、加工技術研究現狀與發展趨勢和應用評價現狀及發展趨勢。對國內外鎂合金在制備工藝、微觀組織、力學性能與熔煉防護、表面防護與應用技術方面的研究進展進行了歸納分析，概述了當前鎂合金的技術發展與產品應用現狀，并對鎂合金未來重點發展方向與亟待解決的問題進行了展望。

前 言：鎂的密度為1.74 g/m³，是鋁的2/3，鋅的1/4，鋼鐵的1/5，是目前最輕的金屬結構材料。其比強度、比剛度高于鋁、鋼鐵材料，遠高于工程塑料；彈性模量為44.8 GPa，泊松比為0.35，相同載荷下可消耗更多的變形功，具有良好的減震吸振性能。鎂合金還具有優異的流動性、尺寸穩定性與抗電磁干擾能力，在航空航天、艦船化工、3C（Computer、Communication、Consumer Electronics）領域得到了廣泛的應用。鎂資源主要來源于菱鎂礦（MgCO?）、含鎂白云巖（MgCO?·CaCO?）、鹽湖區光鹵石鎂鹽（KCl·MgCl?·6H?O）及海水，我國菱鎂礦已探明儲量為50億噸，略低于俄羅斯，位居全球第二。2019年我國原鎂產量為35.83萬噸，出口量為10.65萬噸。2019年，我國鎂合金消耗量在汽車行業占比70%，3C行業占比20%，航空航天、運輸化工等行業占比10%。

1808年，英國化學家SirHumphrey Davy采用熔融電解法首先制得了金屬鎂。1828年，法國科學家A.A.Bussy用還原法從熔融的無水氯化鎂中制得了純鎂。直至1886年，以Bunsen的電解槽為基礎，德國建立了首個商業性電解鎂廠，鎂合金才開始應用于工業生產。建國初期在蘇聯援助下，我國就開始了鎂合金產業的發展，隨著后續多個“五年計劃”的實施，形成了云海金屬、南京瑞寶、上海瑞格、銀光鎂業、鹽湖鎂業、萬豐鎂業、湖南稀土金屬材料研究院、重慶鎂業等重點生產單位與科研院所。隨著環境與能源問題的日益突出，輕量化設計已成為汽車、能源、商用航空等行業產品設計的首選。隨著鎂合金及其加工成形技術的不斷發展，材料性能不斷提高，且生產制造成本不斷下降，鎂合金材料的工業化應用已成為近年來金屬材料領域的研究熱點。

1、鎂合金分類

鎂合金按照應用工況與服役載荷可分為8種，其中壓鑄鎂合金與稀土鎂合金近年來的需求量持續增加，見圖1。與其他金屬材料、工程塑料相比，鎂合金密度低、減震性高、電磁屏蔽效果好、降噪性能優，且具有良好的加工成形與回收性能，在制造加工難度與材料應用發展兩個維度都屬于當今材料學領域的研究熱點，見圖2。表1所示為國內常用鎂合金材料的微觀組織與材料特性。

圖1 鎂合金材料分類

圖2 材料制造難度與應用發展綜合評價分析

表1 國內常用鎂合金微觀組織與材料特性

2、鎂合金典型應用

自1929年推出AZ91，鎂合金的工業化應用才算是得到了實質性的進展。自20世紀20年代鎂合金就開始在賽車上進行了應用性嘗試，德國大眾甲殼蟲汽車自1939年就開始采用壓鑄鎂合金曲軸箱，截止到1980年共生產了1 900萬輛，鎂合金制品總用量高達38萬噸。汽車領域鎂合金主要用于制造殼體、電力系統、動力系統等部件，減重效果見表2。汽車用鎂合金的典型服役部件與材料牌號見表3，表4所示為鎂合金在航空航天領域的應用。

表2 汽車領域用鎂合金減重效果（對比鋁合金）

表3 汽車用典型鎂合金牌號

表4 鎂合金在航空航天領域的應用

根據主添加元素的不同，鎂合金可分為AZ系列（Mg-Al-Zn）、AM系列（Mg-Al-Mn）、AS系列（Mg-Al-Si）與AE系列（Mg-Al-RE）。AZ系列具有較佳的力學性能、鑄造性能與耐蝕性能，且具有較高的屈服強度，常用于制造形狀復雜的薄壁壓鑄件；AM系列多用于制造經受沖擊載荷、安全性較高的服役部件。當前，AZ91D（Mg-9Al-0.7Zn-0.2Mn）和AM60B（Mg-6Al-0.2Mn）兩個牌號占汽車用鎂合金的90%。AZ、AM系列使用溫度一般不超過150 ℃，高溫服役部件一般常選用AS系列鎂合金，AS系列具有較佳的蠕變性能，可用于制造曲軸箱、風扇套、電機支架、葉片定子與離合器活塞等部件。鎂合金在汽車、槍械與電子產品等領域的典型應用見圖3。

圖3 鎂合金材料的典型應用

3、鎂合金材料研究現狀及發展趨勢

3.1?稀土鎂合金

通過添加稀土元素可提高鎂合金的力學性能與高溫物化性能，稀土元素的作用機制主要包括晶粒細化、晶界強化和固溶強化。表5所示為鎂合金常用稀土添加元素及其作用機制。添加Ca、Sr元素可明顯改善二次相的熱穩定性，添加Si、Zr元素可顯著改善壓鑄鎂合金的高溫蠕變性能。馬健研究指出：當Mg-5Sn-1Si合金Y添加含量由0.2%增至0.8%時，生長抑制因子GRF由16.94提高至17.96，枝晶臂間距由23.7 μm降低至12.5 μm，減少約47%。朱利敏通過添加Sm元素，顯著改善了Mg-8Gd-0.5Zr與Mg-8Gd-3Sm-0.5Zr合金在350～500 ℃變形溫度、0.002～0.1 s-¹應變速率下的變形激活能，細化了再結晶的晶粒尺寸。

表5 鎂合金常用的稀土添加元素及其作用機制

3.2?耐熱鎂合金

耐熱鎂合金主要分為Mg-Al系耐熱鎂合金（AZ、AS和AM系列）、Mg-Zn系耐熱鎂合金（ZE、ZC和ZAC系列）、Mg-Zn-Al系耐熱鎂合金與Mg-RE系耐熱鎂合金（WE、ZE和QE系列） 。國內應用最廣泛的ZM5耐熱鎂合金使用溫限為120 ℃，ZM6使用溫限可達200～250 ℃，當需要長期服役溫度超出260 ℃時，國內尚無成熟的合金牌號可供選擇。美歐的WE43、WE54、QE22、Electron21與俄羅斯的MⅡ9、MⅡ10、MⅡ14長期使用溫限可達228 ℃。表6所示為耐熱鎂合金的常用添加元素及其作用機制。耐熱鎂合金的強化機制為晶內與晶界雙重強化，通過減小原子擴散速率、限制位錯運動、阻止晶界滑移，結合固溶強化、析出強化、準晶強化與復合強化，可有效提高耐熱使用溫限；基于此，一般常選用大尺寸晶粒以增大原子擴散距離，減少晶界擴散通道；添加稀土元素在晶界析出細小的熱穩定強化相，釘扎晶界阻止晶界滑移；采用固溶強化可在晶內析出大量細小彌散分布的熱穩定相阻礙位錯滑移。耐熱鎂合金未來發展主要集中在以下四個方面：（1）研究低成本稀土元素Ca、Sr、Ba與Ⅳ、Ⅴ族元素對鎂合金耐熱性能的影響規律與作用機制，開發低成本合金；（2）采用快凝技術制備微米級乃至納米級準晶組織，提高合金耐熱溫限；（3）采用單向擠壓、等通道轉角擠壓、扭轉擠壓、往復擠壓等大塑性成形工藝，實現晶粒與析出相的強化，提高耐熱性能；（4）通過新的熱處理技術與工藝裝備，提高合金的使用溫限。

表6 耐熱鎂合金常用添加元素及其作用機制

3.3?阻燃鎂合金

鎂合金熔點低，熔煉時易氧化燃燒形成多孔性疏松MgO層，其密度僅為0.8，無法有效覆蓋熔體表面阻止繼續燃燒，因此鎂合金熔煉必須采用阻燃防護。鎂合金阻燃防護主要包括熔劑防護、氣體防護與合金化阻燃防護，其作用機制均為覆蓋鎂合金熔體表面，阻止鎂與空氣持續接觸以阻止燃燒。表7為鎂合金常用的保護熔劑化學成分配比。鎂合金氣體防護可分為兩類：（1）選用CO?、SO?或含F（六氟化硫SF6 、四氟乙烷HFC-134a、氟化酮等）反應性氣體；（2）選用Ar等惰性氣體。鎂合金阻燃防護一般常添加Ca、Be、Zn與稀土元素，反應生成的氧化物密度一般高于1，可有效覆蓋熔體表面，起到良好的保護效果。

表7 鎂合金常用保護熔劑化學成分配比 wB/%

對于1%～5%Mg含量的鎂合金，添加3%的Ca元素后合金燃點可由500 ℃提高至750 ℃，當Ca元素添加量達5%時，其氧化膜在970 ℃大氣中暴露60 min仍致密存在。由于BeO薄膜的熱力學穩定性好、導熱系數高，可及時將氧化反應熱傳導至熔體外部，避免熔體溫度惡性升高，且Be元素與氧的反應熱高于Mg元素，因此添加Be元素可獲得較佳的阻燃效果。MgZn薄膜阻止Mg氧化燃燒的效果也較為理想，但Zn元素添加含量過高時易產生熱裂，其添加量一般不大于1.5%。

3.4?耐蝕鎂合金

如圖4所示，鎂合金常見的腐蝕類型主要分為電偶腐蝕、點蝕、絲狀腐蝕與高溫腐蝕。絲狀腐蝕多發生于有保護性的涂層下，而未經涂覆的純鎂、Mg-8Li、Mg-Zn-Y-Al、Mg-Al-RE-Mn等，腐蝕絲萌生后，腐蝕絲在表層沿著某個路徑向前延伸，形成一條細長的腐蝕溝槽。腐蝕機制主要是由第二相或雜質元素引起電偶腐蝕與表層MgO薄膜剝落形成的物理和化學腐蝕，隨著外電位的不斷提高與外加電流密度的持續增加，陽極溶解反應速度隨之加快，陰極析氫反應也不斷增大，即鎂的NDE負差效應。多數環境下鎂合金的表面膜主要為晶態Mg（OH）?，添加Al、Mn、Zn后，易在表層形成分層結構表面膜層，即多孔性疏松MgO/Mg（OH）?/Al?O?/基體金屬形式的膜結構，加速了鎂合金的腐蝕。

（a）電偶腐蝕；（b）點蝕；（c）絲狀腐蝕；（d）高溫腐蝕
圖4 鎂合金腐蝕機制

目前常通過合金化與相結構調整來改善鎂合金的耐蝕性能，對于普通鎂合金而言，Fe、Ni、Cu、Co、Sb、Si等元素的添加量需嚴格限制，單個元素添加量應小于0.1wt%，總添加量應小于0.25wt%。同時可添加適量的RE元素在鎂合金表面反應生成致密的RE?O?鈍化膜，在合金內部形成Al 4 RE相，減少Mg17Al12相的濃度，改善鎂合金的耐蝕性。在AZ系列鎂合金中添加適量的Al可增加晶界處β相的數量、濃度，改善耐蝕性能；加入3%～5%的Ca元素可形成MgCa金屬間化合物，提高耐蝕性能；添加適量Zn可形成MgZn固溶體，第二相雜質數量隨之減少，合金耐蝕性得以提高。不同加工工藝下的合金具有不同的相成分與含量，其腐蝕作用機制也有所差異，因此相結構對鎂合金的耐蝕性能影響也較大。采用快速凝固、半固態鑄造結合的熱處理制度均可改變鎂合金的相組分與微觀結構，且合金基體組織更加均勻，內部缺陷數量隨之顯著減少，合金的固溶飽和程度得以提高，可明顯改善耐蝕性能。

3.5?變形鎂合金

鎂合金室溫抗拉、屈服、塑性差，加工難度高，現有強化工藝多以犧牲塑性為代價，且現有鑄錠制坯尺寸偏小，難以實現大規格的生產制備，與鋁合金相比，應用面較窄。與其他加工制備工藝相比，變形鎂合金可在熱狀態下以軋制、擠壓、鍛造、拉拔等工藝方法進行塑性成形，制成板、棒、型、管、絲與鍛件等半成品，用于后續加工裝配，見圖5。常用的變形鎂合金主要為Mg-Mn系、Mg-Al-Zn系與Mg-Zn-Zr系，多數是在AZ系列、ZK系列上由合金化開發而來，如AZ113、AZ151與ZM61等。

（a）板材；（b）棒材；（c）擠壓型材；（d）管材；（e）絲材；（f）鍛件
圖5 變形鎂合金制品

3.6?阻尼鎂合金

與橡膠、塑料阻尼板、泡沫塑料、阻尼復合材料、阻尼涂料等有機材料相比，鎂合金密度低、比剛度高、抗電磁屏蔽與輻射能力強，且具有極佳的減振性能，目前已在航天衛星、運載火箭、槍械、智能機器人、無人機等領域得到了廣泛應用，引起了學術界的廣泛關注 。金屬材料的阻尼機制主要分為位錯型阻尼、復相型阻尼、鐵磁型阻尼以及欒晶型或晶界型阻尼，低溫下鎂合金阻尼機制為位錯阻尼，滿足Granato和Lucke提出的位錯釘扎-脫釘模型，即G-L理論；高溫環境下除了位錯阻尼作用機制外，還含有晶界阻尼。鎂合金阻尼性能的改善可通過以下三種工藝方法實現：晶粒細化與位錯強化、鎂基復合材料和熱處理調控。表8為幾種常見鎂合金的阻尼性能與力學性能。

表8 常見鎂合金阻尼性能和力學性能

3.7?生物鎂合金

鎂合金作為建筑材料每公斤僅20～50美元，作為宇航材料每公斤100～1 200美元，作為生物醫用材料，每公斤可達1 200～150 000美元，作為現有金屬生物植入材料的新一代替代產品已表現出巨大的優勢與潛力，引起了國內外廣泛的關注與研究。與傳統生物醫用金屬材料相比，鎂合金作為骨內植入物，具有良好的承載能力，避免骨折痊愈后二次手術給病人帶來的痛苦與高昂的治療費用；作為心血管支架材料，可有效減少晚期血栓、血管內膜增生、再狹窄等問題。生物醫用鎂合金一般多添加適量的Al、Si、Sn、Zn、Zr以改善力學性能，同時Al、In、Mn、Zn、Zr元素可延緩合金在體液中的吸收降解速率。未來生物醫用鎂合金發展重點將集中于改善組織相容性，提高材料與活體組織的相容程度，避免與活體組織發生反應；借助多學科交叉研制出具有特殊治療特性的生物醫用鎂合金，不僅限于作為人體器官假體或替代品；開展并完成具有多種特殊功能生物醫用鎂合金材料的研制與開發，可滿足不同醫用工況的需求，不斷提高其經濟附加值。

3.8?壓鑄鎂合金

當前我國汽車行業用鎂合金占全年鎂合金總用量的50%以上，而在汽車行業壓鑄鎂合金用量占全行業鎂合金總用量的85%以上。汽車用金屬材料一般需具有良好的減震降振效果、中等載荷承載能力與良好的成形能力，同時還要滿足批量化生產制造的低成本與短周期。靜態下固體彈性區域內的靜態應力-應變關系主要取決于材料的楊氏模量E，而汽車服役工況為振動載荷，動態下的應力-應變關系（激振力-振動振幅關系），尤其在共振狀態下則隨衰減而發生變化，因此即使鎂合金彈性模量E較低，但仍為一種優異的減震材料。A380鋁合金在35 MPa應力下的衰減系數僅為1%，而AZ91D鎂合金則高達25%；當應力達到100 MPa時，A380鋁合金的衰減系數僅為4%，AZ91D鎂合金則增至53%（AM60為72%，AS41為70%）。鋁合金壓鑄制件的最薄充型壁厚一般為2.5～3.5 mm，而鎂合金具有更佳的壓鑄充型流動性，最薄壓鑄成形壁厚可達1.0～2.0 mm，可采用薄壁+加強筋+凸緣的結構設計方法用于成形薄壁結構，與單純增加截面厚度相比，可獲得更高的結構強度。壓鑄制造的生產成本主要為模具成本，考慮到壓鑄鎂合金的模具使用壽命通常是鋁合金的2～3倍，因此在大批量生產制造時采用壓鑄鎂合金可取得比鋁合金更低的生產成本。

鎂合金壓鑄制造工藝主要包括：（1）真空壓鑄-壓射過程抽除型腔與壓室氣體，減少氣孔缺陷，提高壓鑄制件的冶金致密度；（2）充氧壓鑄-在模穴內充入氧氣或其他活性氣體，置換模穴內的空氣，金屬液充填時活性氣體與其反應生成金屬氧化物顆粒，埋置在合金內部起強化作用；（3）半固態壓鑄-壓鑄前快速攪拌熔體獲得50%乃至以上的固體成分漿料，糊狀合金熔體進行壓鑄；（4）高壓壓鑄-金屬熔體在高壓下實現快速充型、凝固，提高壓鑄制件的冶金致密度與力學性能。

壓鑄鎂合金主要分為AZ系列（Mg-Al-Zn-Mn）、AM系列（Mg-Al-Mn）、AS系列（Mg-Al-Si）與AE系列（Mg-Al-稀土），常用壓鑄鎂合金的力學性能見表9。

表9 常用壓鑄鎂合金的力學性能

4、鎂合金加工技術研究現狀及發展趨勢

鎂合金鑄件占所有鎂合金加工成形工藝制件總量的40%，壓鑄占比鎂合金鑄造制件總量的65%以上。鎂合金壓鑄分為冷室壓鑄與熱室壓鑄，冷室壓鑄又分為立式壓鑄與臥式壓鑄，除壓鑄外還包括砂型鑄造、擠壓鑄造、半固態觸變成形鑄造與觸變成形鑄造。航空航天用鎂合金制件由于批量小、品種多，一般多選用砂型鑄造。擠壓鑄造常選用較低的充型速度與最小的撓度，充型速度一般不大于2m/s，充型壓力不低于70MPa。擠壓鑄件按熱處理強化工藝又可分為直接擠壓鑄造與間接擠壓鑄造。半固態觸變成形鑄造是將合金熔體加熱到含有球狀固相組分的半固態漿料，擠壓至模具進行成形制造。觸變鑄造是將制備的球狀晶體（觸變材料）鑄錠或棒料再次加熱到固液糊狀區，借助壓鑄或鍛壓設備加壓成形，成形的制件具有致密度高、力學性能高的特點。鎂合金壓鑄與擠壓成形工藝的典型力學性能見表10。表11所示為鎂合金不同成形制造工藝的對比結果。

表10 鎂合金壓鑄與擠壓鑄造典型力學性能

表11 鎂合金鑄造成形制造方法對比

與常規的鑄造成形工藝相比，可采用鍛造、擠壓或軋制等塑性成形工藝細化材料內部微觀組織，消除材料內部的氣孔、疏松等鑄造缺陷，提高材料力學性能。常用的高強鎂合金多為變形鎂合金，如M1、M2、AZ31、AZ61、AZ63、AZ80、ZK60等牌號；軋制成形鎂合金多選用Mg-Mn系合金（如MB1、MB8）或Mg-Al-Zn系（AZ31B）與Mg-Li系（LA141），用于制造中厚板與薄板產品。鎂合金室溫擠壓工藝性較差，擠壓溫度一般高于150 ℃，在175 ℃擠壓溫度下擠壓比可達2.0，在225 ℃下可達3.0，常用的擠壓鎂合金多為AZ31B、ZM21、ZK60A與HK31等。鎂合金室溫鍛造極易開裂，鍛造溫度一般控制在200～400 ℃，當鍛造溫度超出400 ℃時，易產生腐蝕氧化、晶粒粗大等，鍛造工藝性能較差。

與多數金屬材料不同，鎂合金通過選擇合適的組織結構與形變溫度可獲得良好的超塑性，可在應變速率大于0.01 s下獲得高達100%以上的伸長率，實現薄壁精密結構的精確成形。MB26鎂合金在1.67×10﹣³ ～4.1×10-² s-¹ 應變速率與250～480 ℃溫度下具有良好的超塑性；當溫度升至350～450 ℃時伸長率可高達520%，在1.17×10-³ s-¹應變速率與400 ℃下伸長率可達1450%。圖6為鎂合金超塑性成形斷后伸長率的實物示意圖。

圖6 鎂合金超塑性成形斷后伸長率

對于高彈性模量、高比剛度、高力學性能鎂合金制件，可采用粉末成形工藝制備，主要分為快速凝固粉末冶金技術與噴射沉積技術。快凝粉末冶金技術（PS/PM）通過快凝制備RS粉末，再通過粉末固結制成坯料，經塑性變形制得。Mg-Zn、Mg-Al、Mg-Ag、Mg-Ca和Mg-RE系鎂合金采用RS/PM法制備的抗拉強度均高于500 MPa，AZ91鎂合金采用RS/PM法制備后抗拉強度由313 MPa增至517 MPa，屈服強度由226 MPa增至457 MPa，采用該工藝方法制備的超高強鎂合金抗拉強度可高達935 MPa。噴射沉積（圖7）采用高壓惰性氣體霧化合金熔體，形成液滴噴射流直接噴到水冷或其他冷卻基體上，經過不斷撞擊、聚結、凝固形成大塊沉積物，再對其進行鍛造、擠壓或軋制。噴射沉積所制備的沉淀坯料具有冷速高、材料氧化少、力學性能高的工藝特性，與普通鑄錠相比，抗拉與屈服強度可分別提高17%與27.8%，鑄錠內部晶粒細小、組織均勻，伸長率可增加8.5%以上。采用噴射沉積技術制備的鎂基工程合金的力學性能見表12。

圖7 鎂合金噴射沉積技術原理圖

表12 噴射沉積制備鎂基工程合金的力學性能

除上述加工工藝外，鎂合金較為成熟的加工成形技術還包括大塑性成形技術、等徑角擠壓技術、高壓扭轉技術、攪拌摩擦加工技術與累積軋制技術。大塑性成形技術SPD可直接將材料內部組織細化至亞微米乃至納米級，晶粒細化效果顯著，可分為等通道轉角擠壓與累積疊軋。等徑角擠壓ECAP具有兩個截面相同的通道模具，材料在擠壓作用下經過兩個通道的轉角處（多為90°、120°）產生大剪切塑性變形，經多次重復擠壓可獲得較高的應變量。高壓扭轉HPT可細化材料組織并改善材料性能。由于扭轉時距中心距離有所差異，材料內部各區域的晶粒細化程度略有差異。攪拌摩擦加工FSP在攪拌頭劇烈作用下可產生劇烈的塑性變形，實現材料晶粒細化、微觀組織均勻化與致密化。累積軋制對板材進行裁剪、堆垛、軋制、再裁剪，并多次重復循環，以獲得所需的累積應變量，具有與ECAE相當的晶粒細化能力，軋制次數越多，材料內部組織越均勻。

在鎂合金的加工過程中，不可避免地將產生一些加工碎屑與邊角料。為了實現變廢為寶，可將石膏漿料滲透到發泡聚氨酯棉內部，再通過加熱燃燒去除掉發泡聚氨酯，得到多孔性石膏模具。在石膏模具烘烤焙燒后，對其抽真空利用壓力將鎂合金熔體滲透到多孔性石膏模具內，采用噴淋與震動破碎清除石膏后即可獲得具有連通孔洞的發泡鎂合金材料，此工藝制備的發泡鎂合金材料可廣泛應用于建材、裝飾等行業，整個工藝制備過程見圖8。

圖8 發泡鎂合金制備工藝流程

5、鎂合金應用評價研究現狀及發展趨勢

鎂合金的應用評價主要指熔煉防護、熱處理與表面防護。鎂合金在熔煉過程中的防護主要是采用CO?、SO?與含F氣體（SF6、HFC-134a四氟乙烷、Fluorinated Ketones氟化酮）等反應性氣體進行保護，在選用SF6進行防護時可選用容積泵GDP減少其用量；選用Ar等惰性氣體防護時，常選用RJ系列防護熔劑，以RJ-2與上海交大研發的JDMF為典型代表，可在熔煉過程形成熔劑-氣體復合防護。鎂合金熔煉也可采用合金元素進行防護，一般常選用Ca、Be、Zn與RE元素，添加Ca、RE可形成致密的CaO與RE?O?氧化膜，添加Be、Zn可形成致密的BeO和MgZn覆蓋層，起到良好的阻燃效果。與鋁合金類似，鎂合金可選用C ?Cl6、MgCO?與CaCO?進行精煉，添加MgCO?與CaCO?后，精煉過程產生的CO?可起到良好的排氣與除渣效果。含Al鎂合金一般常使用過熱處理法與炭素材料添加法進行變質處理，其他鎂合金常添加Zr元素作變質處理。德國亞琛工大鑄造研究所開發出了一套集熔煉與壓鑄為一體的封閉式生產工藝（圖9），可實現熔煉與澆注過程的雙重保護。鎂合金熔煉變質防護未來發展重點將會是：（1）研制出集熔煉防護、晶粒細化、精煉變質與自動澆注一體化的自動封閉連續化生產工藝裝備，實現對鎂合金熔煉過程的全方位防護；（2）開發出具有普適性的鎂合金精煉、變質工藝，通過合金熔體純凈化與晶粒細化提高合金力學性能；（3）開發出實用性無污染鎂合金熔煉澆注防護工藝，降低鎂合金批產成本；（4）針對航空航天、汽車、3C行業高強韌鎂合金材料需求，開發出鎂合金專用的熔煉防護工藝裝備。

圖9 鎂合金熔煉壓鑄防護工藝裝備

采用合適的熱處理工藝可細化鎂合金的晶粒、調控相結構組成，獲得良好的塑韌性；改善強化相的結構、尺寸、形態、濃度與分布，提高材料力學性能。未來鎂合金熱處理將著重優化現有工藝進一步提高材料的強度與塑性，研究鎂合金熱處理過程強化相析出的組織結構、尺寸與分布演變規律，系統地分析合金元素綜合添加對熱處理微觀組織與力學性能的影響規律與作用機制。

鎂合金耐蝕性、耐磨性差，常通過表面防護以提高其耐蝕耐磨與表層力學性能，常用的表面防護工藝主要有化學氧化（轉化）膜處理、陽極氧化處理、微弧氧化處理、電/化學鍍處理、熱噴涂、物理氣相沉積、化學氣相沉積、高能離子注入、熱擴滲鋁方法、溶膠-凝膠技術、金屬表面協和涂層技術等。

化學轉化可通過化學反應在金屬材料表面生成金屬膠狀物或鹽膜，投資少且操作簡便，主要分為鉻酸鹽系、磷酸鹽系、有機酸系、高錳酸鹽系與氟鋯酸鹽系等。當前主要以鉻酐酸與重鉻酸鹽化學轉化為主，化學轉化膜的耐蝕性主要取決于膜層的厚度與膜層中的鉻元素含量，典型工藝為Dow公司的Dow7工藝，Sharma A K針對Mg-Li合金制備得到了8～11 μm鉻酸鹽膜。由于鉻酸鹽中Cr 6+ 對環境存在污染，目前使用量不斷減少。當前鎂合金化學轉化多選用無鉻化學與稀土化學轉化膜工藝，表13所示為鎂合金常用化學轉化膜的工藝參數。與化學轉化膜相比，陽極氧化處理除表層氧化膜外，還含有電解液或其他元素沉積在金屬材料表面的氧化膜，陽極為鎂合金，陰極多為不銹鋼、鐵、鎳。鎂合金的陽極氧化早期多選用含Cr元素的Dow17、Cr-22工藝，后期選用以磷酸鹽、高錳酸鹽、可溶性硅酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物和氟化物為主的無鉻陽極氧化處理工藝（例如HAE工藝、MAGOXID與NEW型無鉻電解液）。鎂合金陽極氧化層分為致密內膜層與多孔型外膜層，一般需進行著色和封閉處理，表14為鎂合金常用的陽極氧化工藝參數。以納米材料和其他低維度非平衡材料為基礎，可通過特定的加工技術在鎂合金表面形成一層納米化的表層膜，或直接在鎂合金表面形成納米結構涂層，起到優異的表面防護效果。日本Mazda公司采用該技術在鎂合金表面形成了50 nm粒狀的S-Al?CuMg納米相與針狀S-Al ?CuMg相，已廣泛應用在汽車發動機氣缸襯套等部件。

表13 鎂合金化學轉化膜工藝參數

表14 鎂合金陽極氧化工藝參數

鎂合金可采用電鍍工藝在表層形成致密鍍層，工藝流程為清洗→侵蝕→活化→浸鋅→氰化鍍銅→電鍍，多選用Cu與Cu-Ni-Cr鍍層。化學鍍是利用金屬鹽與還原劑在鍍液中發生氧化還原反應，主要以Ni-P鍍層為主，鎂合金在電/化學鍍時在表面極易形成氧化膜，阻礙沉積金屬與鎂合金形成金屬-金屬鍵，可先采用化學轉化在表層鍍鎳，再進行電/化學鍍，一般多采用清洗→除油→堿洗→酸蝕→堿活化→堿性化學預鍍鎳→酸性化學鍍鎳的工藝流程。鎂合金的物理氣相沉積（PVD）表面防護工藝主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍膜、電子束物理氣相沉積EB-PVD，在鎂合金表面采用PVD技術制備Cr與CrN多層膜層，可顯著改善合金的耐磨性能，PVD制備工藝成本昂貴，且制備溫度一般多為450～550 ℃，遠高于鎂合金的穩定化溫度，故實際工業生產中采用較少。

熱噴涂通過火焰、電弧或等離子體熱源可將線狀或粉狀原料加熱至半熔化/熔化態，以高速熔滴噴在金屬基體表面，強化材料的耐磨與耐蝕性能，鎂合金多選用Al元素形成致密的β-Mg17Al12涂層，熱噴涂由于成形時間短、噴射速度極高、涂層表面的孔隙率較高，后期還需經激光熔覆、密封處理、熱壓、陽極電鍍等處理以提高涂層的致密度。Sulzer Metco公司開發出了Protal激光輔助熱噴涂工藝，可將鎂合金的表面清理與熱噴涂結合在一起，已在氣輪機葉片、電機零件等制件廣泛應用。當鎂合金需要短時腐蝕防護時，可采用環氧樹脂、聚氨酯、橡膠、油脂、油漆、瀝青等有機材料，起屏蔽、鈍化緩蝕與電化學保護，但其耐磨性較差，且在高溫環境下易剝落。對于形狀結構簡單的鎂合金制件，還可采用離子注入表面防護工藝，離子注入在10～100 kV靜電場和高真空環境下，經加速的高能離子高速沖擊注入金屬材料內部，注入深度與離子能量、種類和基體狀態息息相關，離子在金屬材料內部的置換或間隙位置分布，可形成大量的亞穩相與沉淀強化相，提高鎂合金的耐蝕性能。近年來，在離子注入的基礎上又發展出了加弧輝光等離子表面防護工藝，通過引弧電極引燃電弧，可在金屬材料表面形成高溫、高壓、高電流密度、高速等離子體陰極弧斑，改善鎂合金的表層強度。鎂合金的激光防護主要包括激光表面重熔、激光表面合金化、激光熔覆、激光多層熔覆等工藝，激光防護可在金屬材料表面實現快速熔化、凝固，而保持金屬基體材料性能不變。Mg-Li、Mg-Zr系合金已廣泛采用激光表面重熔工藝進行表面防護，對AZ91和WE54合金采用激光熔覆在表面生成AlSi30涂層后，體積磨損量分別減少了38%與57%。考慮到離子注入、激光處理后的鎂合金制件存在表面殘余應力大、防護作用面積有限等缺陷，近年來發展了HIPIB技術，可在鎂合金表面獲得晶粒細化、成分均勻的表面防護涂層。對于鎂合金表面滲層處理而言，目前主要還是采用離子滲氮技術，可顯著提高其耐蝕、耐磨性能。

盡管當前鎂合金可選用多種表面防護工藝，但綜合制備成本、操作簡便性與防護效果來看，微弧氧化仍是目前應用最為廣泛的防護工藝，根據控制方式可分為恒定電壓微弧氧化與恒定電流微弧氧化，一般多選用恒定電流制備工藝。微弧氧化制備流程為首先在金屬材料表面形成氧化膜，隨后氧化膜被擊穿發生等離子微弧放電，氧化膜在放電作用下進一步向材料內部滲透，最終達到氧化膜層的氧化、熔融與凝固平穩狀態，其制備工序一般為：去油處理→微弧氧化處理→清洗→熱水封閉→吹干或晾干。在鎂合金微弧氧化領域，國內的北京航空材料研究院、北京師范大學、哈爾濱環亞微弧技術公司、兵工52所寧波分所、北京有色金屬研究院與西安理工大學等開展的研究工作較為顯著，所研制的微弧氧化制備工藝已廣泛應用于鎂合金汽車發動機罩蓋、箱體、踏板、輪轂、方向盤、座椅與3C殼體等部件。未來鎂合金表面防護工藝的發展將重點開展綜合性防護工藝的研究，對于陽極氧化、微弧氧化、噴涂等多孔型防護涂層而言，將著重加強對其密封材料與后處理工藝的研究，同時也將加大對稀土元素改善電解液的作用機制與工藝效果研究，注重開展新型環保型表面防護工藝在鎂合金材料領域的應用嘗試。

6、鎂合金未來發展方向

近年來，隨著鎂合金材料應用范圍的不斷拓展，未來鎂合金的研究發展熱點將集中在以下四個方向。
（1）大規格高強高韌鎂合金材料制備：采用合金化、晶粒細化、熔體純凈化、熔體阻燃防護、稀土元素添加等工藝來完成大規格鎂合金坯料的制備，提高現有鎂合金材料的機械強度與塑性，拓寬鎂合金在航空航天、汽車與3C行業的應用范圍。
（2）耐熱鎂合金材料性能提升：隨著“兩機專項”國家重點扶持項目的不斷實施，航空發動機、燃氣輪機冷端與傳動系統防護部件對低密度、高耐熱金屬材料的需求日益擴大；隨著航空發動機推重比技術指標要求的不斷提高，耐熱鎂合金材料400 ℃長時服役下應向著抗拉強度大于220 MPa，伸長率高于5%方向不斷發展。
（3）鎂基復合材料、貯氫材料與塊體非晶材料：鎂合金具有優越的與顆粒物質及陶瓷粒子相結合的能力，通過添加SiC、Al?O? 、ZrO?、BN或石墨烯等增強相，可顯著提高基體鎂合金材料的力學性能；鎂元素具有優異的貯氫能力，Mg?Ni材料的理論放電能力為1000 mA·h/g，約是LaNi 5 的2.7倍，通過機械合金化法制備的MG-Mg 1.95 Y 0.005 Ni 0.92 Al 0.08 室溫下即具有良好的充放電反應能力，可為新能源汽車的發展奠定材料制備基礎；選用合金元素多于3種，元素原子尺寸差大于12%制備的Mg-Y-Ni、Mg-Y-Cu等塊體非晶材料抗拉強度高達800 MPa以上，制備的Mg-Ca-Al、Mg-Ca-Ni、Mg-Y-Mm等鎂基非晶合金具備極佳的耐蝕性能，是未來鎂合金材料發展的重點方向之一。
（4）鎂合金復合化表面防護工藝：目前限制鎂合金大范圍應用的主要原因就在于鎂合金的耐蝕性、耐磨性差，選用單一的表面防護工藝總存在著表層防護的不足與弊端，因此需開發出經濟型、環保型的鎂合金表面防護技術，進一步研究鎂合金表面涂層的形成過程、組織結構、耐蝕性能與防護工藝之間的影響規律及作用機制，探索出適宜于無污染、低成本、批量化生產的鎂合金復合表面防護工藝。

作者
樊振中 陳軍洲 陸?政 熊艷才
中國航發北京航空材料研究院
樊振中 陳軍洲 陸?政
北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心
本文來自：《鑄造》雜志