快速凝固镁合金的性能优化

用快速凝固技术制备的镁合金晶粒尺寸可以减小到原始铸态尺寸的1/16，枝晶臂间距仅为5～8μm，挤压成形后的组织也仅为3～10μm，晶粒细化后可以明显地抑制孪晶的形成；与常规工艺制备的镁合金相比，室温的比强度超过40%～60%，压缩屈服强度和拉伸屈服强度之比由0.7增加到1.1，断后伸长率达到5%～15%，经过热处理后可达到22%，在100℃以上时，具有优良的塑性和超塑性。由于晶粒非常细，疲劳强度为冶金镁合金铸锭的两倍多。快速凝固技术还可以改善镁合金的耐蚀性，这可能是在成形过程中稀土化合物与快速冷却的细晶组织共同作用的结果。镁合金在快速凝固过程中的组织及结构出现一些新的变化，它们主要是：扩大的固溶极限，晶粒细化，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相以及高的点缺陷密度等。

1.力学性能

快速凝固工艺可以显著细化镁合金的晶粒组织，减小甚至消除合金成分偏析，生成细小弥散的沉淀相并分布于晶界和晶粒内，从而大幅度提高镁合金的力学性能。与常规铸造镁合金及现有的铝合金相比，快速凝固镁合金的室温比抗拉强度（UTS/ρ）超过常规I/M镁合金及铝合金的40%～60%；压缩屈服强度与拉伸屈服强度的比值（CYS/TYS）由0.7增加到1.1以上，比拉伸屈服强度（TYS/ρ）超过常规I/M镁合金及铝合金的52%～98%，比压缩屈服强度（CYS/ρ）则超过45%～230%；断后伸长率在5%～15%之间，经热处理后可上升至22%。与其他轻合金比较，快速凝固镁合金在373K以上具有优良的塑性变形能力或超塑性，由于晶粒非常细，材料的疲劳强度为I/M镁合金的两倍。图2-44所示为常规铸锭镁合金与快速凝固镁合金力学性能的比较。

图2-44 常规铸锭镁合金与快速凝固镁合金力学性能的比较

与常规镁合金相比，快速凝固镁合金的室温强度、延展性、高温力学性能和耐蚀性都有明显的改善。除了强度提高外，通过快速凝固细化晶粒和在合金中加入Ni、Si、Pd、Sb、Ge、Sc和In等合金元素使合金中形成具有立方结构的相，都有效地改善了镁合金的延展性。此外，快速凝固镁合金的热稳定性比常规镁合金有较大提高，快速凝固镁合金微观组织的均匀化和弥散沉淀相的形成还提高了合金的抗腐蚀能力。另一方面，某些新型快速凝固镁合金还同时具有很好的强度、延展性、耐蚀性和高温稳定性，快速凝固Mg-（5～8）%（摩尔分数）Al-（1～2）%（摩尔分数）Zn-（0.5～2）%（摩尔分数）X（X=Pr、Nd、Ce、Y）就是其中一种典型合金。陶氏化学公司采用雾化镁合金粉末压实加挤压工艺制备出了ZK60合金支撑杆，其抗拉强度达430MPa，由于基体中含有细小弥散的Al₃Zr质点，材料热稳定性能极好。

快速凝固镁合金Mg₉₇Zn₁Y₂是目前国际上已报道的抗拉强度最高的镁合金，是近年来的研究热点。该合金的屈服强度和断后伸长率与固结温度有关，分别在480～610MPa和5%～16%之间变化；弹性模量为45GPa；比屈服强度是AZ91-T6合金的4倍，比Ti6Al4V和7075铝合金的还高；423K高温屈服强度高达510MPa；其在1×（10^-2～10⁰）s^-1的应变率和623K下呈现高应变速率超塑性。有关快速凝固Mg-（Ag、Sc）-X合金（X=Al、Ca、Zn、Y、Mn、Sn和Si）的研究表明，Mg₉₇ Zn₁Y₂和Mg_96.5Ag_0.5Y₃合金延展性和硬度匹配最好，可与Mg₉₇Zn₁Y₂媲美，抗拉强度达到610MPa且断后伸长率超过5%。

2.耐蚀性(www.xing528.com)

快速凝固工艺可以显著改善镁合金的耐蚀性。例如，RSAZ91合金的腐蚀速率为0.8mm/年；Pechiney和Norsk开发的新型快速凝固镁合金的腐蚀速率仅为0.2～0.6mm/年；含2%Ca的AZ91ET6的腐蚀速率仅为0.2mm/年。

快速凝固镁合金耐蚀性的提高有以下几种机理：

1）快速凝固工艺可以将镁合金中影响耐蚀性的杂质元素如Ni、Cu等充分固溶到合金基体中，实现均匀化，这样可以减小具有阴极特性的析出相的含量和尺寸，甚至消除这种颗粒；同时，也可以将有害元素控制在危害性较小的区域内。

2）在快速凝固镁合金中加入碱土金属如Ca和稀土元素RE及Y后，减少了沉淀时的阳极活化区。RE和Y还可以提高镁合金中第二相质点的惰性，从而减轻镁合金的腐蚀倾向。

3）含稀土的弥散相或沉淀相可以促进镁合金与腐蚀性气体或盐水环境中的卤族元素反应生产钝化膜，从而起到保护作用，提高耐蚀性。

尽管通过快速凝固技术可以改善镁合金的性能，但目前还存在许多理论和技术问题有待解决。例如，快速凝固镁合金的组织设计、合金之间的相互作用、微观偏析、准晶存在形式及其对合金的性能的作用规律等，大尺寸镁合金管、棒、板、型材及一些结构件的沉积技术、合金的致密化和成形技术，坯料在后续加工过程中的微晶保持技术，在变形过程中的变形理论、强韧化机理、熔炼和如何克服沉积过程中的阻燃等问题，都是开发高性能快速凝固镁合金，并将其应用到工业规模生产所必须解决的关键问题。