基于噴射沉積技術(shù)的新型鎂合金制備研究

摘要：由于鎂合金具有優(yōu)良性能，它在航空、通訊、汽車等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)鎂合金制造工藝對(duì)于制造條件要求較高，成品在科學(xué)研究中有很大的局限性。本文陳述了一種新的鎂合金制備工藝，即采用噴射沉積技術(shù)加入堿土元素Ca和稀土元素Nd制備新型鎂合金。新型鎂合金可優(yōu)化性能，加快科研進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：噴射沉積；鎂合金；熱擠壓

由于鎂合金比強(qiáng)度高、彈性模量低、減震性能好、切削性能優(yōu)良、質(zhì)量輕、電磁屏蔽性能優(yōu)良、回收率高、新型環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，鎂合金材料在汽車制造、航空航天、電子計(jì)算機(jī)、通訊衛(wèi)星等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到重視[1]。我國(guó)礦藏鎂資源豐富，自從我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性結(jié)構(gòu)調(diào)整和西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，我國(guó)鎂工業(yè)的發(fā)展前景不可小覷，國(guó)家科技部已經(jīng)把鎂材料的開發(fā)應(yīng)用列入高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃[2]。鎂合金正式成為繼鋼鐵、鋁之后的第三大金屬工程材料，也是未來(lái)工業(yè)、商業(yè)共同開發(fā)研究的重要材料[2，3]。高性能鎂合金的制備成為今后研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

1 新型鎂合金制備技術(shù)

（1）傳統(tǒng)工藝的制備缺陷。

按照傳統(tǒng)工藝，可以通過(guò)鑄造或壓力成型獲得鎂合金。鑄造工藝制備鎂合金，由于鑄模、鑄造溫度、冷卻條件的交互影響，在制備過(guò)程中極易造成混入雜質(zhì)、成分不均勻、氣孔、開裂等各種問(wèn)題。壓力成型工藝獲得鎂合金，在制備過(guò)程中對(duì)模具、壓力、溫度等因素要求較高，性能不穩(wěn)定。因此新型的鎂合金制備工藝研究勢(shì)在必行。

（2）新型金屬噴射沉積技術(shù)。

金屬噴射沉積技術(shù)簡(jiǎn)稱噴射成型，又稱噴射鑄造或噴射沉積，在商業(yè)上通稱為奧斯普瑞工藝[4]。該工藝產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，現(xiàn)在是一種非常成熟的制備工藝，被廣泛應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、銅合金等材料的制備，應(yīng)用前景非?？春谩?/p>

鎂合金噴射沉積是美國(guó)在1987年首次進(jìn)行研究完成的，之后法國(guó)、德國(guó)等也積極投入研究，并取得了顯著成效。鎂合金噴射沉積工藝主要分為霧化和沉積兩個(gè)過(guò)程。不同金屬的霧化效果不同，為了保證更好的霧化效果，必須進(jìn)行合理的霧化參數(shù)設(shè)置。同時(shí)，沉積過(guò)程中控制沉積器的下降速度，調(diào)整霧化掃描間距、沉積器直徑，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求制備相應(yīng)尺寸的合金坯錠。

（3）鎂合金熱擠壓處理。

對(duì)于噴射沉積制備而成的材料，在噴射沉積過(guò)程如果處理不當(dāng)或者氮?dú)鈮毫Σ蛔愕惹闆r會(huì)使坯錠進(jìn)入部分空氣，在凝固的時(shí)候由于熱脹冷縮不均勻也會(huì)產(chǎn)生一部分孔洞，而這些孔洞，極易造成成分和組織的不均勻性。為了改善沉積錠的這種不均勻性，保證其質(zhì)量，在進(jìn)行熱加工之前往往需要對(duì)合金進(jìn)行均勻化處理。

擠壓技術(shù)是一種不需要切削的加工工藝，具有低消耗、快速、高效的特點(diǎn)，在工業(yè)制造、機(jī)械加工、建筑、航空、通訊、電子等行業(yè)應(yīng)用廣泛，是金屬塑形加工的重要方法。尤其在鋁合金、鎂合金、銅合金的管、線等制造方面使用突出[3]。熱擠壓處理過(guò)的試樣表面光潔度高，尺寸精度也較高，只需要經(jīng)過(guò)精整處理就可使用。熱擠壓通常受擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比、冷卻速度等因素的影響。

2 噴射沉積工藝制備新型鎂合金

（1）沉積坯的制備。

本文所用材料為Mg12.55Al3.33Zn型鎂合金中加入少量Ca元素與Nd元素，使用英國(guó)引進(jìn)的Osprey噴射沉積設(shè)備，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)進(jìn)行噴射。噴射室頂端的坩堝中用來(lái)熔化金屬，一邊熔化，一邊注入氮?dú)夥乐寡趸?，然后利用該設(shè)備制取鎂合金錠。利用氮?dú)夥諊Ｗo(hù)，不但降低了成本，還可以通過(guò)改進(jìn)工藝參數(shù)提高材料的性能。

（2）熱擠壓成棒材。

由于固體與液體的凝固速度不一樣，造成沉積坯內(nèi)部有孔洞缺陷，需要進(jìn)行后續(xù)加工消除組織缺陷，故采用熱擠壓方法對(duì)合金進(jìn)行致密化處理。由于沉積坯成分不均勻，邊緣部分缺陷多，心部組織成分相對(duì)穩(wěn)定，所以取心部組織用來(lái)熱擠壓處理，然后進(jìn)行試驗(yàn)觀察組織及進(jìn)行性能測(cè)試。在沉積坯中部距外表面20～60mm處取樣進(jìn)行擠壓，制取直徑為30mm的圓柱棒材。擠壓參數(shù)如下表所示。

3 元素Ca和Nd在Mg12.55Al3.33Zn型鎂合金中的作用

鎂合金中加入堿土元素可以很好的改善其性能。而Ca元素由于資源豐富、價(jià)格便宜、性能優(yōu)良等被廣泛應(yīng)用在鎂合金制品中。Ca元素的加入對(duì)鎂合金有抑制氮化的作用，也可以防止鎂合金被氧化，降低其在空氣的燃燒的概率。如果鑄造鎂合金中加入Ca元素，可以明顯改善鎂合金的品質(zhì)，提高其性能。通常Ca的摻雜量不會(huì)太多，一般控制在0.3%以內(nèi)。一旦Ca的加入量過(guò)大，會(huì)成為有害元素，加劇合金的開裂傾向，降低材料的強(qiáng)度和硬度。但是在鎂合金噴射沉積制備過(guò)程中，合理的掌握好Ca的加入量，可以有效避免Al元素偏析，形成細(xì)小的Al2Ca相，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用[5]。另外Al2Ca相可以釘扎在晶界處，抑制晶粒長(zhǎng)大，保持沉積相的微觀組織形貌。

稀土元素由于其化學(xué)性質(zhì)活潑，又能彌散分布在鎂合金基體中，能有效避免H、O、S、Cl、Fe等雜質(zhì)析出或者形成有害相[6]。另外稀土元素在鎂合金中的固溶度較大，在熱處理過(guò)程中均勻分布，部分釘扎在晶粒晶界處，能防止晶粒長(zhǎng)大，起到固溶強(qiáng)化的作用。另外稀土元素還能防止合金被氧化，提高合金的耐蝕性和耐磨性，可以顯著的提高鎂合金的力學(xué)性能。稀土元素Nd的加入能明顯提高鎂合金熔體的流動(dòng)性，降低微孔率，減輕疏松和熱裂傾向提高耐熱性。最重要的是可以改善其高溫蠕變性能，減小再結(jié)晶傾向、晶粒長(zhǎng)大以及阻止晶界遷移。

未來(lái)，鎂工業(yè)的發(fā)展必須把鎂資源綜合利用和新型鎂材料的開發(fā)結(jié)合起來(lái)，在鎂原料生產(chǎn)、鎂合金制備等方面確定重點(diǎn)科技公關(guān)課題，加快科研開發(fā)進(jìn)程，其開發(fā)利用的水平高低對(duì)社會(huì)的發(fā)展有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳國(guó)華，陳玉獅，丁文江.鎂合金在航空航天領(lǐng)域研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].載人航天，2016，22（3）：281292.

[2]丁文江.鎂合金科學(xué)與技術(shù)[M].北京： 科學(xué)出版社，2007：365 371.

[3]“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃重大項(xiàng)目“鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”成果新聞發(fā)布會(huì)，科技部， 2002.12.20.

[4]Gnano P S. Spray Forming[J].Progress in Materials Science， 1995，39： 497506.

[5]程素玲，楊根倉(cāng)，樊建鋒，等.Ca，Y對(duì)AZ91鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影[J].稀有金屬材料與工程，2006，35（9）：14001403.

[6]劉剛強(qiáng)，陳樂平，艾云龍.稀土 Nd對(duì)ZMS合金組織與性能影響的研究[J].特種鑄造及有色合金，2005， 25（7）： 496498.

作者簡(jiǎn)介：王營(yíng)霞（1986），女，漢族，河南濮陽(yáng)人，碩士，助理工程師，現(xiàn)在西安工業(yè)大學(xué)國(guó)有資產(chǎn)管理處工作，研究方向?yàn)樵O(shè)備管理。