镁合金的应用

镁合金的应用

一、概述

镁合金它具有数量大、强度大的一系列特点，在钢铁之后、在地球上是储量位居第三位的常用金属，海水中镁含量极其巨大。所以，一直以来镁合金都很受国内外的关注，但它的耐磨性以及耐蚀性在某种程度上制约镁合金的推广及使用。为了提高镁合金的表面处理方法，耐磨耐腐蚀是最简单的方法。未来是一种表面上的激光熔覆层的最大的优点是，它是基于激光束辐射，合金粉末，陶瓷粉末加热村底表面和迅速融化，因为它是一种表面处理方法，形成后去除梁。近些年来，伴随着材料科学的发展与进步，付出越来越多的关注因为镁合金。镁合金等金属材料的密度小，密度大约是铁的四分之一，铝的三分之二，镁合金的合金强度比铁、铝大，并与铝合金有钢相似的刚度比。其加工过程及腐蚀和力学性能有许多特点:散热快、质量轻、刚性好、具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好及易于回收;另外还有高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点。此外，镁合金具有优异的切削及抛光性能，易成型，导热性好，无磁性的电磁屏蔽性能，良好的可回收等金属材料的竞争中占据明显的优势。同时，排名第六的地球丰富的镁含量，约为百分之二点五，因此，镁合金在第二十一世纪，被认为是最有前途的绿色工程材料。

铸造镁合金以及压铸镁合金是镁合金的最重要的形式，包括超过90％的铸造镁合金。Mg- Al-ca-sri镁合金是目前的研究和开发，并使用最成功，最详细的镁铝合金，被广泛应用于各个领域。镁合金由于密度低，强度高，刚度比，具有良好的导热性和导电性，在第二十一世纪理想的工程材料。然而，耐腐蚀的镁合金的力学性能低限的性能优势。因此，表面改性技术，加强表面化学性质与镁合金的力学性能，具有十分重要的意义。

重量轻，节能的迫切需要，是推动环保工程系统的结构和功能的能量生成，材料储能，推进多元化的发展和运输。这些挑战促使镁元素使用更广泛的传播此外，回收方便，与聚合物相比，使镁合金的环境更有吸引力。重要的是，密度小于1.74g/cm，仅为铝的30％，钢的14，相同的许多聚合物的密度都小，镁的吸引力在于轻质的结构和系统，最值得注意的是，汽车系统。一个典型的汽车称重为1525公斤日前包含着大约975公斤的钢，127公斤，114公斤的高分子材料，和镁5～6公斤。据估计，22.5公斤的质量减少了约1％提高燃料效率。因此，汽车制造商的全球目标増加汽车的Mg含量的45和160公斤之间。广泛使用金属元素而形成的工程资料的基础上，从镁的机械性、化学的角度的复杂性以及物理性能。因此，它的使用已相当有限。有趣的是，扩大镁合金的使用电流的驱动力一般发生在一个特定的坏境中。同时材料设计与加工科学可以解决复杂的问题以及提供了新的可能性。在所有结构的合金对比中镁合金是其中最轻的。因此，在不减少部件的强度，可以减少铝或铁的重量。镁合金的强度明显高于铝合金和钢度钢以及铝合金。弹性范围内，根据镁合金比吸收碰撞能量，铝合金零件，因此镁合金具有良好的抗震性能，并降低噪声。在同样负荷下，100次，铝，钛，300-500倍的振动。电磁屏，3C产品(手机和电脑)，可以提供出色的防电磁，镁合金外壳可完全吸收超过100分贝的高頻电磁干扰。良好的质感，镁合金和触摸慼觉良好的外观，使广产品更豪华的感觉，并且，更不容易受到空气的腐蚀。

二、镁合金的应用

1、工程材料

承载材料通常是由机械加工形成的，如轧制或挤压，需要高水平的拉伸，这就要求高韧性。这需要五个独立的变形模式，在原子尺度，通过位错运动。不像大多数工程材料的高度对称的立方晶体结构，镁具有六边形结构只用两个独立的变形模式。其结果是，所需的其他的变形模式，如位错，孪晶和晶界滑移破坏，可能会出现在激活。新的共识，变形模式更容易被激活的微型或纳米粒子材料，导致到高延展性。结果表明，其他所需的变形模式，如位错、李晶或晶界滑动激活前可能会发生故障。正在形成的共识的是，变形模式是在微型或纳米级的颗粒材料更容易激活，导致高延展性。在晶粒尺度的应变过程的数值模拟提供了进一步的见解的条件下，可以获得大的塑性应变。

2、航空航天

镁合金在航空航天，汽车，微电子行业都有广泛的应用，由于其较低的密度(从1.75到1.85克/立方厘米)和高的强度。然而，他们的一系列性能往往被限制，这是由于磨损和腐蚀问题，大量的研究已证明表面性质和Mg-Al-Ca-Sr镁合金力学行为，但激光合金的表面处理是一个新的研究领域。同时在航空航天和汽年应用轻量化材料需求的増加和我们年年的专注于对镁及其合金的研发人员因其比强度高、密度低，与35％的钛合金密度相比密度更小，并且小于65％铝基合金的密度。然而，镁有一些不良特性，包括很差的耐腐蚀性和耐磨性，抗鯖变能力差和高的化学反应活性，这限制了其在许多应用中广泛使用。镁的化学反应是一个非常重要的障碍，我们都知道当它与水或空气接触时，氢氧化物/氧化物就会在它表面层上形成。镁及其合金表面涂层，解決这些问题的方法之一，镁及其合金的激光表面处理引起了相当大的兴趣，提高镁及其合金的力学性能和化学成分的作用。其中包括激光相变的激光表面处理工艺，表面熔化，激光表面合金化、激光表面熔覆。由于质量轻合金，镁合金被广泛应用于国防，航空航天产品。如法国，航空公司超过弗雷肺直升机齿轮箱压铸镁合金镁一锌-稀土-错合金ZE41。银可以显着提高时效强化稀土镁错合金具有较低的拉伸性能，一系列的应用在航空航天领域，如飞机起落架，直开机旋翼齿轮箱和附件。在轻武器，法国反坦克手榴弹零件制成的镁合金和铝合金，轻型坦克和装甲车，采用镁合金缸体，缸盖:美利坚合众国M511谢里登轻型坦克/侦察车，齿轮机箱体采用铝和镁合金。镁合金的发展，中国的飞机机轮和利车装置组成。稀土类金属的铸造镁合金为主要合金元素，可以用于为200℃300℃，长期使用的零件，这是非常适合于航空发动机。首次应用稀土镁合金ZM3的，在成都发动机公司1967年开始在中国生产，黎明发动机已经批量生产。ZM3，此外，还用于铸造离心情況下可湿性粉剂，已在北京航空航天大学和南方动力机械公司的一批生产。总之，镁，轻合金治炼和制造技术的不断提高，在坦克和装甲部分结构的导弹外壳，尾部将被广泛使用。这个例子表明，每个基板的表面性能的微观结构的均质细化主要论述和改性。此外，不同的沉淀物可能形成的镁相的增加是由于非平衡凝固过饱和度。然而，改性是因为熔化层的组合物相对于基板和大量的拉伸应力的限制同样可能产生。适当的合金化可以改善材料的物理性能。

3、生物材料

镁合金在生物纳米中应用也很多，镁合金具有高强度和高韧性，可加工性以及良好的生物相容性，日前主要在骨内固定材料，多孔骨修复材料，种植牙材料，牙科材料，研究和心血管支架。但速度太快，镁合金在体液中的腐蚀是一个大问題，修改后的方法不仅可以提高镁合金的耐蚀性，降低其生物降解率，而且还可以提高材料的力学性能、表面活性和生物材料，和镁合金材料的应用发展医学。纳米天线是通过将一个或两个金纳米粒子(NPS)的DNA折纸结构，这也纳入对接位置为一个单一的荧光染料在一个之间的差距。测量了NP大小和数量是依赖于荧光增强和它们的数值模拟方式。得到的染料分子位于23納米到100納米金粒子之间的差距是最大值的117倍的荧光增强。绑定和解除绑定的DNA短链直接可视化，以及动态的构象中的天线的热点DNA霍利迪路口，表明了单分子检测的兼容性。

4、牺性阳极

铝锌镁合金用牺牲阳极的方法在海水中可以防止锡组成受到影响。腐蚀试验安装确定锡对铝合金阳极效率的最佳效果。腐蚀和未曝光的样品表面进行微观结构表征，用光学显微镜技术。0％、0.01％掺杂的铝锌镁合金的制备，以确定环境中的阳极效率锡作用的权重为0.05％和锡的0.1％。不同的微观结构的铝锌镁合金发展与阳极效率相关。结果表明，铝锌镁合金阳极效率与锡浓度的增加有关。

该AI-Zn-Mg-0.1Sn给最好的阳极效率。Al，Zm，Mg，Sn合金的微观结构显示增加锡的分布和被动的氧化铝膜的击穿网络对阳极表面和提高阳极效率。

镁是一种重要的合金元素在铝合金固溶强化，弥散强化，加固效果好，可添加到锌合金，因此，它用压力铸造来进行生产，除了用于球墨铸铁的生产。镁合金牺牲阳极也可以作为防止金属腐蚀的有效方法，广泛应用于地下金属管道和油库长途运输。镁合金型材，管材，主要用于航空，航天等尖端和防御，如飞机机身和跌宕起伏的车轮，发动机，火箭，导弹和发射器的制造设备，也可用于民用目的，如自行车，轮椅，医疗设各，健身器材，汽车工业是近几十年来最重要的力量，推动镁合金产业的发展，镁合金的同时也可用于汽车车身，发动机，方向盘，仪表板，座架，传动部件，如镁，电子信息和増长最快的仪器中的应用仪器仪表等行业，镁合金产品在同行业中，其单位重量和尺寸的汽车零件，目前，已有大量的电子产品在使用镁合金为外壳材料。

5、镁合金的防护

镁合金质量轻，具有许多优良的特性，镁合金使用也越来越受到人们的关注，但其耐磨性，但耐腐蚀性能差，限制了它的广泛应用，都需要适当的表面处理以达到保护性能的日的。镁合金熔炼是镁合金压铸件生产的关键环节，而且在这过程的安全性是一个关键环节。镁合金炉不能用不锈钢，镍冶炼工具，不使用含镍的不锈钢钠。加热炉的优化设计，具有双层结构，阵阵的坩埚，镁液能内外层之间的流动，同时报警停止加热，熔化的镁液不会流到外面的危险。应经常检查是否有炉子上的铁锈，如果有任何锈蚀应及时清理。必须在使用煤油渗透和X射线检测坩埚通过无缺陷，可以使用。同时，有人发现，镁合金表面处理中的主要应用研究进展。日前，镁合金已广泛应用于许多领域，如汽车，电子，航空，航天，表面处理方法，采用机械表面处理，化学转化处理，阳极氧化，徴弧氧化，热喷涂，气相沉积，离子注入等。激光表面熔化和熔覆合金，是改善金属材料表面性能的重要方法。开展对镁合金激光处理大量的工作和报告的表面微观结构的熔化区的特点是外延生长的柱状晶粒的取向垂直于固体一液界面。研究激光工艺参数对涂层组织和钛合金的质量，耐磨性与显微结构的变化。

（1）机械表面处理:以改变材料表面的完整性的方法来得以改变疲劳的断裂以及应力腐蚀断裂的抗力性加上高温抗氧化的能力。镁合金表面处理，在各种机械加工，运输和储存过程中，将不可避免地被氧化，生成的氧化层厚度。同时，也容易受到石油污染和其他一地吸附杂质。油的吸附，薄的氧化层可依次用溶剂清洗，化学处理和机械处理，或直接或通过化学处理。镁合金表面氧化严重，有较厚的氧化层，可以不直接移动溶剂清洗和化学处理，以及最好的加工方案。镁

合金表面通常是活性高，粉尘处理，更容易受到水的污染，因此，处理后的镁合金表面表面应尽快清洗。主要有喷丸和滚压强化。这种方法工艺简单实用，但般用于表面改性预处理。

（2）化学转化:金属和某些特定的腐蚀溶液接触时，可以通过化学转化来使镁合金机体的表面形成由氧化物以及金属盐构成的无机膜层，无机膜层与基体有很好的结合。一般采用的腐蚀溶液为铬酸盐和磷酸盐。铬酸盐膜和Cr骨架密实结构传统的铬结构中含有水，有很好的修复，耐腐蚀性强。然而，铬的毒性大，成本高，污水处理，无铬转化发展势在必行。镁合金加工的无定形组织KMnO4溶液，薄膜的耐腐蚀性和铬酸盐化学转化膜。碱性锡酸盐的化学转化处理方法可以作为镁合金无电解镀镍的预处理办法，以取代传统中的含有害离子如铬，F和CN的过程。化学转化膜的多孔结构，具有良好的吸附镀前活化，镀镍层的耐蚀性和粘结强度可以改变化学转化可以大致分为两类:1、铬系转化。2、非铬转化。铬酸铬或重各酸盐转化为求解化学转化处理方案，现在是比较成熟的，表面处理中的应用。大可以分为:磷的转化，氟化盐，锆锡酸盐转化，无铬转化稀土转化等。

化学转化技术操作工艺简单，成本低，铬酸盐转化比较成熟。但该工艺过程产生有害的六价铬离子，废液不易处理，对环境有污染。而且化学转化膜形成的膜层薄、多孔，不能做长期防腐蚀保护。

（3）阳极氧化和微弧氧化:阳极氧化是镁合金应用极其广的一种表面处理方法，其把镁或镁合金作为阳极放在相应的电解液之中，然后进行通电，通过电解的作用在金属表面形成氧化膜层。该工艺方法可以在合金表面形成结构致密、与基体结合牢固的膜层。这个膜是双层结构，内层的致密层是很薄。电化学阳极氧化的转换，可以得到更好的耐磨损性涂层基板，涂层，耐腐蚀，并具有良好的粘合强度，镁合金的电绝缘性和耐热冲击性是一种常见的表面处理技术。传统的镁合金阳极氧化电解液一般含有铬，氟和裤元素，不仅污染环境，还危害人体健康。近年来，表层防腐技术的改进，通过研究和开发相比于经典过程它的环保技术大大增加。优异的耐腐蚀性，从A1，Si和其他元素的均匀分布的表面进行阳极氧化，形成有致密性好，在氧化膜的完整性。实验表明阳极氧化涂层的镁合金的耐蚀性是主要影响因素。研究中发现，加入适当量的硅-铝阳极氧化溶液溶胶组合物，在一定程度上，可以提高膜的厚度，密度，孔隙率和低。使用溶胶组合物可导致周期性成膜速度快，生长缓慢，但基本不影响X射线衍射膜的相结构。但难以得到均匀的氧化膜脆，多孔阳极氧化铝膜，复杂的工件。外层一般的多孔层是较厚。阳极氧化膜的耐蚀性能与膜层的厚度有一定关系，一般情况下膜层越厚，其时蚀性就越强:化学转化膜比刚极氧化膜的厚度、强度、耐蚀性、耐磨性都要不好。中等腐蚀性气氛，因此，密封工艺室内保护层后，可以单独使用。但由于膜的孔径较大的分布不均匀，等原因，所以一般只作为涂层。过程的缺点是:对复杂零件是很难得到的膜层均匀，孔隙率和氧化物膜，脆性。

（4）热喷涂:它是一种镁合金表面涂层系统的方法，热喷涂的方法是使用的热源(如电弧，等离子，火灾，等等)，线性或粉末材料加热到熔融或半熔融状态，然后火焰本身或压缩空气以一定的速度注射在预处理，基层表面涂层，具有以下功能:通过沉积形成的技术。热喷涂铝和镁合金基体的结合，镁合金的耐腐蚀热喷涂铝处理之后性能得以改善。然而，镁合金基体上热喷涂涂层的应用比较少，主要的原因是，化学活性，具有较低的熔点，易燃高镁合金，氧化少。

（5）气相沉积:在真空条件的情况下，利用物理的办法将固态镀料转化为原子、分子以及离子态的气相物质，在之后应该沉积于基本表面从而形成固体薄膜，除物理办法以外还包括化学气相沉积以及离子束辅助气相沉积。蒸镀蒸饯涂层，物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两种。它是用来使铁，钼，锞镁合金，减少杂质的含量，缺陷也使用涂料基本覆盖，以避免形成局部腐蚀的细胞，从而提高了防腐性能。它是利用气相中发生的物理化学的过程，在材料表面形成具有特种性能的金属或者化合物涂层，从而可以改善材料的表面性能。但是气相沉积的设各极其昂贵，操作工艺也很复杂。

（6）离子注入:离子注入是一种比较新的表面改性方法，通过高能离了在真空情况下加速注入固体表面来改变表面结构。离子注入是在高真空条件下，十到几百千伏的静电电压的作用下的表面上的领域，加速高能离子(铝，铬，铜等)和高速冲击的处理方法注入样品。离子中，样品中的房间或空间的固溶体，形成非平衡的表面层。在材料中，一系列的物理和化学的原子或分子和离子束材料间的相互作用，可以逐渐损失，因此用被困粒子发射击中的材料，来代替某些物质粒子，改变它的内部结构，表面特性达到的材料，以到达优化的目标。离子注入技术已经应用到镁合金，以改善其耐腐蚀性能。将能量为1kcv量级的离子束发射到了材料上去了，离子束在与材料中的原子或者分子发生一系列的物理的和化学的相互反应完之后，能量逐步损失从而滞留在了材料内部，从而发射粒子即将取代材料中的一些微粒，可以改变其内部结构，最终达到材料表面性能之后，オ得以优化的目的。离子注入技术已经开始被应用到镁合金材料上以提高其耐蚀性能。但是此项技术具有成本高，工艺复杂的缺点。

（7）激光熔覆:用不同的组合物以及激光熔覆技术性能的应用都可以对合金进行澉光東能量密度高，和在衬底表面的巨大努力，迅速融化形成的表面和衬底的使用，快速凝固合金层具有不同的组成和性质的过程。宽带激光镁合金下游表面铜和错和铝合金覆层，由于对金属间化合物的形成层的改进，使合金镀层具有较高的硬度，弹性模量，耐磨性和耐腐蚀性。由于钕激光通过多层激光熔覆快速处理的细顆粒，可以提高熔覆层的致密性和完整性。各种表面处理方案有其局限性，相对而言，基板和镁合金表面合金化层对激光熔覆表面处理在封闭的腐蚀，合金层确定材料的耐腐蚀性能。激光熔覆技术具有以下特点:第一，相对冷却的速度快，产生的快速凝固组织特征:其次，热输入的失真以及涂层浓度较低:第三，材料消耗少;第四，旨在使其难以接近的光束熔覆，第五，合金层区和衬底，可以形成治金结合:第六，对高熔点合金不锈钢表面形成镁合金熔覆层，大大提高了材料的表面性能。

激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式光熔灌和同步式激光熔覆。

(a)熔覆材料用预置式激光熔覆主要是先将其事先置于基材表面的熔覆部位，之后利用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式为主要成分加入，其中以粉末的形式最较为常用。

(b)将熔覆材料直接送入激光束中的方法是同步式激光熔覆，供料以及熔覆是同时完成的。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，同步送料有的也采用线材和板材的方法进行。

激光表面熔化和熔覆合金，是改善金属材料表面性能的重要方法。开展对镁合金激光处理大量的工作和报告的表面微观结构的熔化区的特点是外延生长的柱状晶粒的取向垂直于固体一液界面。研究激光工艺参数对涂层组织和钛合金的质量，耐磨性与显微结构的变化，激光表面处理技术来改进氧化钛合金的耐磨损性和增加电阻。

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    刘  斌  整理编辑