高强变形镁合金研究现状及发展趋势

2 新型高强高韧变形镁合金加工技术 传统铸造镁合金组织都很粗大、力学性能较差，
镁合金层错能较低，变形过程中易发生动态再结晶， 大多数情况下都是通过塑性变形来细化镁合金晶粒， 改善其力学性能。传统的塑性变形手段包括： 挤压、 轧制、锻造等。由于镁合金是六方结构，塑性变形能 力较差，传统的单一的塑性变形方法已难以进一步提 高其力学性能。针对这一难点，很多研究者引入新型 的塑性变形手段，或者结合传统变形方式以提高镁合 金成形性能。
Keywords Big size，High strength magnesium alloys，RE，Novel plastic deformation craft
0 引言 镁合金是目前使用的最轻的金属结构材料，其密
度为 1． 74 g / cm3 ，仅相当于铝的 2 /3，钢的 1 /4。同时 镁合金还具有比强度、比模量高、阻尼减振、电磁屏蔽、 易于加工成形和容易回收等优点，被人誉为“21 世纪 绿色工程金属”［1］。目前镁合金已成为国防军事、航空 航天、汽车、电子通信等工业领域的重要材料，尤其是 我国大飞机、绕月、高速轨道交通、电动汽车等大型工 程项目的启动，对镁合金有更大的期望，也提出了更 高的要求。使用镁合金制造汽车零部件，不仅能够减 轻汽车自身质量、降低油耗，而且有助于汽车减振，从 而改善汽车的舒适性和安全性； 在国防军工领域，降 低结构以降低能量消耗。
（ 1 School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083） （ 2 School of Mechanical and Power Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080）
究者通过调整 WE43 合金的固溶和时效工艺，已将其 强度提高到 300 MPa。此外，在 WE43 基础上，通过 添加 Zn 元素，利用传统铸造和热 处 理 工 艺 研 制 出 330 MPa 的高强稀土镁合金。
Gd 和 Y 具有良好的时效强化作用，添加 Gd 和 Y 能够明显提高镁合金的强度。近年来，国内外在 Mg － Gd － Y 方面做了大量的研究工作。Xiao［6］将摩擦 搅拌工艺引入 Mg － 10Gd － 3Y － 0． 5Zr 镁合金铸造， 获得了超乎寻常的晶粒细化效果（ 6． 1 μm） ，经过 T6 处理后获得了 439 MPa 的高强铸造镁合金。T． Honma 等研究了 Mg － 2． 0Gd － 1． 2Y － 0． 2Zr 合金不同时 效时间的过饱和固溶体的分解产物的形貌和结构，从 而确定 了 该 合 金 的 时 效 析 出 序 列 和 相 变 模 型 （ 图 1） ［7］，该 合 金 的 析 出 序 列 为 （ SSSS） → β″ → β' → β。 Mg － Zn － RE 合金中形成的长周期有序结构具有非 常明显的强化作用，并且高温下非常稳定，从而可以 提高该系合金的高温力学性能。作者通过对 Mg － 10Gd － 6Y － 2Zn － 0． 6Zr 合金中 LPSO 结构及其对力 学性能的影响的研究发现 LPSO 结构是通过影响过 饱和固 溶 体 的 分 解 过 程 来 产 生 强 化 作 用 的［图 2 （ a） ］［8］。T． Homma 等 在 Mg － 10Gd － 5． 66Y － 0． 65Zr 合金中添加 1． 6% 的 Zn，利用传统的铸造挤压 － T5 工艺制备了抗拉强度为 542 MPa 的超高强镁合 金棒材［9］。S． M． He 等利用传统热挤压方法制备出 抗拉强度为 397 MPa 的 Mg － 10Gd － 2Y － 0． 5Zr 合 金［10］。I． A． Anyanwu 等 利 用 传 统 热 轧 方 法 制 备 的 Mg － 12Gd － 1． 9Y － 0． 69Zr 合金和 Mg － 17Gd － 0． 51Zr 合金屈服强度都在 360 MPa 以上，抗拉强度都 在 400 MPa 以上［11］。作者利用传统挤压工艺制备出 厚度 10 ～ 35 mm、宽度 50 ～ 180 mm、长度 ＞ 2 000 mm、抗拉强度 ＞ 460 MPa、屈服强度 ＞ 390 MPa、伸长 率 ＞ 3% 的稀土镁合金厚板和 Φ20 ～ 60 mm、长度 ＞ 3 000 mm、抗拉强度 ＞ 455 MPa、屈服强度 ＞ 400 MPa、 伸长率 ＞ 3% 的合金。挤压合金的金相组织如图 2 （ b） 所示。
图 1 Mg － 2． 0Gd － 1． 2Y － 0． 2Zr 合金 225℃ 等温时效的析出示意图 Fig． 1 Precipitation schematic diagrams of Mg － 2． 0Gd － 1． 2Y － 0． 2Zr alloy aged at 225℃ 宇航材料工艺 http： / / www． yhclgy． com 2012 年 第 1 期
课题，目前国际国内的镁合金材料及其工艺研究基本 上是围绕解决以上几个方面的问题而展开的。本文 将简述近年来国内外开展这方面研究所取得的一些 进展。 1 高强镁合金开发
针对镁合金强度较低的问题，研究者在合金化及 热处理工艺方面进行了大量的研究，并形成了常规高 强镁合金、稀土高强镁合金等比较成熟的体系。 1． 1 常规高强镁合金
高强变形镁合金研究现状及发展趋势
刘楚明1
郑 梁1
王松涛2
肖宏超1
（ 1 中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083）
（ 2 哈尔滨理工大学机械动力工程学院，哈尔滨 150080）
徐 璐1
文 摘 大规格高强镁合金构件的研究开发对于推进镁合金的大规模应用意义重大，并引起国内外的广 泛关注及高度重视。本文综述了常规高强镁合金、含稀土高强镁合金、新型塑性变形工艺及大规格镁合金的研 究现状，指出了高强镁合金研究存在的问题及今后的研究方向。
稀土在镁合金中有显著的强化效果，探明稀土元 素强化的微观机理，发展高强度稀土镁合金是镁合金 研究的一个热点。
在镁合金中加入 Nd，能够提高合金的高温强度， 并使铸件组织致密。在 Mg － Zn － Zr 合金中加入 Nd， 开发出 Mg － Nd － Zn － Zr （ ZM） 系合金。Ding Wenjiang 等研究表明，Mg － 4． 4Zn － 1． 2Nd － 0． 35Zr 合金 在低于 473 K 时有较高的抗拉强度，而 Mg － 4． 4Zn － 2Nd － 0. 35Zr 合金在高于 523 K 时显示出较高的抗 拉强度［4］。WE43（ 4% Y － 3% Nd － 0． 5% Zr） 是目前 应用比较 广 泛 的 一 种 高 强 稀 土 铸 造 镁 合 金。Alok Singh 等通过挤压激冷铸造 Mg93 Zn6 Y 合金，将合金的 晶粒尺寸细化到 1 μm，获得屈服强度大于 400 MPa， 伸长率大于 11% 的高强高韧镁合金［5］。本课题组研
关键词 大规格，高强镁合金，稀土，新型塑性变形工艺
Research Status and Development Tendency on High Strength Wrought Magnesium Alloys
Liu Chuming1 Zheng Liang1 Wang Songtao2 Xiao Hongchao1 Xu Lu1
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图 2 Mg － 10Gd － 6Y － 2Zn － 0． 6Z 合金峰值时效的 TEM 形貌和大规格高强挤压镁合金的金相组织 Fig． 2 TEM images of peak-aged Mg － 10Gd － 6Y － 2Zn － 0． 6Zr alloys and optical image of high strength extruded magnesium alloy with big sizes
Abstract High strength magnesium alloy parts with big sizes are significant to enhance the large scale application of magnesium alloys． At present，the research and development on high strength magnesium alloys have received much attention all over the world，and consequently many researches have been carried out． In this paper，the latest research and development status of conventional high strength magnesium alloys，especially the research on high strength magnesium alloys containing RE elements，novel plastic deformation craft and magnesium alloy parts with big sizes，are reviewed，and the existing problem and research tendency are also analyzed and pointed out respectively．
收稿日期： 2011 － 10 － 28 基金项目： 自然科学基金资助项目（ 51074186） 作者简介： 刘楚明，1960 年出生，博士，教授，主要从事有色金属材料性能、组织及加工工艺研究。E － mail： cmliu@ mail． csu． edu． cn
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近年来，一些学者在现有的 AZ 系和 ZK 系合金 的基础上，通过优化合金成分，开发了只含常规合金 元素的高强镁合金，如 AZll3、AZl51、ZM61 等。张金 龙等制备了 AZll3 镁合金，并对其进行了挤压，晶粒 由原 来 的 120 μm 减 小 到 30 μm，抗 拉 强 度 从 213 MPa 提高 到 353 MPa，断 后 伸 长 率 从 2． 8% 提 高 到 9. 5% ； 随后经 T5 处理后，合金的抗拉强度达到最大 值 420 MPa［2］。Zhang Jing 在 Mg － Zn 系合金的基础 上加入微量稀土 Er，开发了高强高韧、低成本的 Mg － 9Zn － 0． 6Zr － 0． 6Er 合金，其屈服强度为 342 MPa， 抗拉强度达到 372 MPa，伸长率为 18%［3］。 1． 2 稀土高强耐热镁合金
目前镁合金的应用远不如同期发现的铝合金那 么广泛，因为镁合金产品的生产还有些技术难点尚
未克服： （ 1） 目前的镁合金绝对力学性能仍然偏低， 虽然目前通过一定手段可以提高其强度，但往往是以 牺牲韧性为代价的，所以高强镁合金的应用依然没有 重大突破； （ 2） 镁合金室温塑性差、加工成形能力远 不如铝合金、铜合金、钢铁，高强镁合金在轧制锻造过 程中容易开裂，一般只能通过挤压等极少数加工方法 生产，但是由于镁合金的变形抗力比较大，所以镁合 金加工对设备要求比较大； （ 3） 由于镁化学性质活 泼，所以镁合金耐蚀性较差，不能直接在较潮湿的环 境中使用，这 是 限 制 镁 合 金 大 量 应 用 的 又 一 障 碍； （ 4） 目前镁合金产品尺寸较小，不能生产大规格的结 构件，这也是高强镁合金广泛应用受限制的一个重要 方面； 镁合金强度的提高一般都是通过添加大量合金 元素来实现的，这就导致合金铸造开裂倾向严重，尤 其是大规格锭坯的铸造非常困难。因此，发展大规格 高强镁合金及其加工方法是近年镁合金研究的重要