2.5　新型鎂合金

2.5.1　快速凝固鎂合金

快速凝固工藝（RSP）因具有冷速高，能夠細化合金顯微組織和提高合金元素的固溶度，以及形成亞穩(wěn)相或引入新相等特點，而受到廣大研究者的關注。

20世紀50年代人們就開始采用快速凝固粉末擠壓成形方法制備以ZK60A為代表的一些鎂合金，該合金的擠壓件仍保留快速凝固微細組織的特征。近年來，快速凝固工藝已用于開發(fā)新型變形鎂合金并取得了重要進展。一般而言，鎂合金的屈服強度和抗拉強度分別低于200MPa和300MPa。通常情況下，快速凝固超高強度鎂合金的抗拉強度高于500MPa，比強度高于250MPa/（g/cm3），RSP工藝能顯著提高鎂合金室溫力學性能、高溫力學性能和抗腐蝕性能。

基于Mg-Al系，人們對添加了Zn、Ce、Nd、Si、Sr、Ca和混合稀土等元素的80余種不同成分的合金進行快速凝固工藝研究，結果表明，部分快速凝固合金在較高溫度下的蠕變性能得到明顯改善，而其他卻因為微細晶粒內晶界滑移增強而加速蠕變變形。一些快速凝固鎂合金呈現(xiàn)超塑性，在423K下就可以超塑性成形。此外，快速凝固鎂合金顯微組織細小且均勻，各種元素固溶度增加，從而抗蝕性得到明顯改善（見圖2-13）。幾種快速凝固Mg-Ca合金擠壓成形件力學性能見表2-19。從表中可以看出，Mg-Ca系列合金室溫強度很高，并隨材料強度提高伸長率大幅度下降。與室溫性能相比，溫度高于473K時材料強度下降幅度超過50%，說明Mg-Ca系超高強度鎂合金可以應用于室溫工作環(huán)境，但無法用于473～573K的環(huán)境中。

美國Allied Signal公司采用平面流鑄造法制備出了已報道的性能最好的EA55RS變形鎂合金型材，其擠壓件性能與2024Al-T6合金相當，拉伸屈服強度達343MPa，壓縮屈服強度達384MPa，抗拉強度423MPa，伸長率13%，腐蝕速率為0.25mm/a。

2.5.2　鎂基非晶合金

非晶態(tài)鎂合金具有無定形原子結構，與對應的晶態(tài)合金相比，力學性能大大提高，合金強度和延展性得到了明顯改善。此外，由于其獨特的原子無序結構，兼有一般金屬和玻璃的特性，呈現(xiàn)獨特的物理化學特性，如MgNi合金具有儲氫性能。鎂基合金具有較強的非晶形成能力，能在較低冷速下獲得大塊非晶，制備工藝簡單。制備鎂基非晶合金的方法主要有熔體快淬法、機械合金化、金屬模鑄造、高壓壓鑄等。表2-20列出了采用單輥快淬法制備的鎂基非晶合金種類。具有Mg-M-Ln組成的三元合金非晶化潛力最大，其中M是指Ni（圖2-14）。

注：Ln指鑭系金屬，M指過渡元素Ni、Cu、Zn。

這類合金的共性是含有鑭系金屬元素。Mg-Y合金具有較負的混合焓，并且鑭系原子尺寸比鎂原子大，而銅、鎳原子尺寸較小，如果三種原子聚合，局部應變能小。在熔融態(tài)金屬的冷卻過程中，以上兩大因素會減少原子擴散，抑制晶體形核。

Mg-M-Ln系非晶具有比其他合金系更高的抗拉強度，鎂基非晶合金的力學性能見表2-21。Mg-Ni-Y和Mg-Cu-Y合金抗拉強度最高，達800MPa以上，是傳統(tǒng)的晶態(tài)鎂基合金的兩倍。Mg-Ca-Al和Mg-Ca-Ni合金強度比Mg-Ni-Y和Mg-Cu-Y合金低，但密度小，比強度仍很高。快速凝固Mg85Zn12Ce3合金具有非晶和晶態(tài)兩種微結構，具有更高的抗拉強度，斷裂前具有明顯的塑性變形。晶態(tài)相中含有超細密排六方結構的鎂鋅和鎂鈰的過飽和固溶體，并在非晶相中均勻分布。淬火狀態(tài)下，非晶帶抗拉強度達665MPa，在383K下退火20s后強度超過930MPa.退火使平均顆粒尺寸從3nm增長到20nm。這些粒子有利于產生均勻的塑性變形。非晶合金為亞穩(wěn)態(tài)材料，加熱到某一臨界溫度TM會出現(xiàn)晶化現(xiàn)象。隨著固溶量增加，TM增高，TM與熔點的比值可達0.64，從而非晶態(tài)鎂合金熱穩(wěn)定性高，能獲得大型鑄件和帶材。

鎂基非晶合金不存在晶界、位錯和層錯等結構缺陷，也沒有成分偏析和第二相析出，這種組織和成分均勻性使其具備了抗局部腐蝕的先決條件。同時非晶態(tài)合金自身活性高，能在表面迅速形成均勻鈍化膜，從而非晶合金抗腐蝕性優(yōu)良。Mg-Ca-Al、Mg-Y-Al和Mg-Y-M的耐蝕性十分優(yōu)異。

2.5.3　鎂基復合材料

鎂基復合材料可提高鎂合金的彈性模量和改善合金的耐磨性能、抗拉強度、高溫強度以及抗蠕變性能。鎂基復合材料主要采用石墨纖維、SiC顆粒、碳化硼顆粒和Al2O3纖維及顆粒作為增強體。增強體的性質、體積分數(shù)、形狀和增強體與鎂基體間的界面狀況將影響材料的性能。由于鎂的活性，許多增強體因受到侵蝕而對強化效果有損害。比較典型的鎂基復合材料為ZC71/SiCp 12Vol%，其室溫抗拉強度為400MPa、屈服強度為370MPa、伸長率為1%，并且150℃時的蠕變強度提高了一倍。與普通鎂合金相比，具有較好的耐磨性和較低的熱膨脹系數(shù)。美國海軍部-斯坦福大學用冶金擴散焊接方法制備了Mg-Li/B4Cp復合材料，其比剛度比工業(yè)鈦合金高22%，屈服強度提高，延展性優(yōu)良。鎂基體與增強顆粒的反應以及吸附顆粒表面的能力將增加熔體對增強顆粒的浸潤性，從而使鎂基體比鋁更有優(yōu)勢。

采用壓鑄工藝制備的短纖維Saffil增強相的鎂基復合材料中，不同的基體對應的材料抗拉強度數(shù)值比較，從圖2-15中可以看出Cp-Mg基復合材料對應的強度數(shù)值比AZ91基和QE22基的復合材料要低。

連續(xù)碳纖維增強復合材料顯示了很高的強度和模量值。通過真空壓力浸透方法得到的碳纖維快干鎂鋁基復合材料，基體同界面結合良好，基本不發(fā)生反應，但存在著合金元素的集聚。非連續(xù)增強復合材料可通過各種工藝制成，整齊排列的氧化鋁或SiC晶須增強相可產生較高的強度和優(yōu)異的彈性模量值。在常規(guī)鑄造條件下，對于SiC顆粒鎂基復合材料而言，大多數(shù)SiC顆粒被推到晶界處聚集，而僅有少量的SiC顆粒夾雜在鎂晶體中，因此性能不高。在相對應的氧化鋁-鎂基復合材料中，增強相氧化鋁比較穩(wěn)定，即使溫度升高到1000K，二相之間也只發(fā)生很小程度的擴散。而在650～800℃進行等溫加熱，B4C顆粒在空氣中則會發(fā)生氧化行為，產生一種非晶B2O3表面層。這種氧化層主導著界面反應、顯微結構和氧化物復合材料的力學性能。

SiC、玻璃、Saffil Al2O3陶瓷等不同纖維增強的AZ91合金擠壓鑄件具有特殊的力學性能。453K下，16%（體積分數(shù)）Saffil纖維增強的AZ91合金擠壓件的蠕變壽命比合金本身高1個數(shù)量級，疲勞極限是后者的兩倍。通常，復合材料的室溫彈性模量隨纖維量的增加而線性增加。當Saffil纖維含量超過15%（體積分數(shù)）時，復合材料的延展性和斷裂韌性非常低。顆粒增強鎂合金鍛件的力學性能有所改進，表2-22顯示不同含量的SiC晶須對AZ31鎂合金的性能影響，經20%（體積分數(shù)）SiC晶須增強的AZ31合金擠壓件彈性模量增加了兩倍多，伸長率從15%下降至1%。

采用SiC、Al2O3和碳纖維增強超輕Mg-Li合金時，在加熱制備過程中因鋰易與除SiC外的纖維發(fā)生反應而出現(xiàn)纖維降解。Mg-Li合金中鋰及合金晶格空位活性高，低溫力學性能不穩(wěn)定，纖維末端局部應力將連續(xù)釋放并具有很高的應變速率。