蔣 斌，劉文君，肖 旅，董含武，張 娜，程仁菊，宋江鳳，張丁非，潘復(fù)生

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400030； 2.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；3.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 401123； 4.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

0 引言

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)工程材料，因具有比強(qiáng)度高、比剛度高、阻尼減振性能強(qiáng)、液態(tài)成型性好、能屏蔽電磁輻射、易于回收利用等顯著優(yōu)點(diǎn)，故在交通、能源、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景[1-3]。目前，世界上約有70%的汽車方向盤骨架材料已由鎂合金替代，部分汽車的座椅骨架、輪轂、儀表盤支架、中控支架等也全部使用鎂合金材料。同時(shí)，鎂合金輕量化效果顯著，在飛行器和航天器上的應(yīng)用不僅大大降低了這些產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，更改善了設(shè)備的機(jī)動(dòng)性，提高了其生存能力。但鎂合金高溫強(qiáng)度差、抗蠕變性能差、耐腐蝕性能差、鑄造缺陷嚴(yán)重、塑性變形差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。本文從合金系劃分出發(fā)，對(duì)航空航天用高性能鎂合金的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)行了回顧，并對(duì)鎂合金的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 Mg-Al-Zn系合金

Mg-Al-Zn(AZ)系[4-9]合金屬于中等強(qiáng)度高塑性鎂合金，其室溫強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕性匹配較好，且價(jià)格較低，是目前牌號(hào)最多、應(yīng)用最廣的鎂合金系列?；阡X元素的加入，在提高合金強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，拓寬合金凝固區(qū)間，改善合金鑄造性能，主要形成了以AZ31，AZ61，AZ80為代表的變形鎂合金和以AZ91為代表的鑄造鎂合金。與變形鎂合金相比，鑄造鎂合金的應(yīng)用尤其廣泛，在歐洲有85%以上的AZ系列產(chǎn)品均為鑄件。鑄造鎂合金具有優(yōu)良的鑄造性能和切削加工性能，常用于航空動(dòng)力系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)等的機(jī)匣及殼體類零部件，能很好地滿足零部件對(duì)合金性能的要求[10-13]。

室溫下AZ系鎂合金組織主要由α-Mg和非連續(xù)網(wǎng)狀分布的低熔點(diǎn)β-Mg17Al12組成。受低熔點(diǎn)第二相高溫軟化影響，AZ系鎂合金的使用溫度不能超過120 ℃，否則會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度和蠕變性能急劇下降。針對(duì)航天應(yīng)用的耐熱性問題，可通過添加少量Si、Ca、Sr、稀土元素等來改善合金的高溫強(qiáng)度與抗蠕變性能。加Si后形成的Mg2Si硬質(zhì)相可在以細(xì)小彌散形式分布的情況下，使合金獲得較高的強(qiáng)度和延伸率[14-16]。其中，AS41(Mg-4.0Al-1.0Si)具有較高的強(qiáng)韌性，完全可滿足材料在150 ℃以下時(shí)的使用要求，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱和風(fēng)扇外殼上得以應(yīng)用。由于有Al2Ca和Mg2Ca這2種高溫穩(wěn)定相的形成，因此Ca元素成為耐熱鎂合金的重要添加元素。日本研制的ACM522(Mg-5Al-2Ca-2RE)[17-18]展現(xiàn)出了比AE42更優(yōu)良的抗蠕變性能。含Sr耐熱鎂合金AJ52X在150～170 ℃時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)于AE42和A380的抗蠕變性能，并在175 ℃時(shí)展現(xiàn)出了與AZ91D較為接近的耐蝕性和工藝性能[19]。

AZ91鑄造鎂合金是最典型和常用的AZ系合金，其鑄造性、耐蝕性和力學(xué)性能均較好，主要用于復(fù)雜薄壁件的壓鑄成形。該合金的高溫力學(xué)性能和抗蠕變性能主要是通過添加Ce，Y，Nd，Sc等稀土元素來提高。研究發(fā)現(xiàn)[20]，Ce元素的單獨(dú)添加對(duì)合金的高溫力學(xué)性能影響不大，而Y，Nd，Sc等元素的單獨(dú)添加卻可顯著提高合金的高溫抗蠕變性能。LIN等[21]在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.45% Sc的AZ91鎂合金中，獲得了晶粒尺寸在486～561 μm的顯著細(xì)化鑄態(tài)組織，同時(shí)Mg17Al12相的形成被明顯抑制。Al3Sc的形成及后續(xù)的固溶時(shí)效，使得AZ91合金的抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在200 MPa以上，屈服強(qiáng)度在110 MPa以上。ZHANG等[22]通過添加富鈰混合稀土(RE)與Sr，發(fā)現(xiàn)AZ91-0.5RE加0.2%Sr后，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別提高了26%和76%，而在150 ℃/50 MPa的蠕變性能測(cè)試中，AZ91-0.5RE-1.0Sr合金表現(xiàn)出最佳的抗蠕變性能。復(fù)合添加的合金元素在鎂合金基體中形成多種高熔點(diǎn)穩(wěn)定相，可起到細(xì)晶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，從而提高合金的室溫與高溫強(qiáng)度。

在鑄造鎂合金中添加微量稀土元素，除能有效改善合金組織和微觀結(jié)構(gòu)，提高合金室溫和高溫力學(xué)性能外，還可增強(qiáng)合金的耐蝕性。因此，在鎂合金中添加稀土元素，一方面能有效改變鎂合金腐蝕層結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化陰極相控制，影響合金腐蝕的電化學(xué)過程，從而提高鎂合金的耐蝕性能；另一方面可凈化鎂合金表面層，使表面活性點(diǎn)減少或消除，從而提高鎂合金的耐蝕性能。大量研究表明：微量稀土元素(如Ce，Y等)的添加，可使合金的腐蝕電阻增大1倍，均勻腐蝕效果降低50%以上，耐腐蝕性能得到明顯改善。這主要是因?yàn)橄⊥猎氐募尤刖哂泻辖饛?qiáng)化與熔體凈化的效果，可抑制腐蝕過程的發(fā)生與擴(kuò)展。周謝等[23]在不同Er質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AZ91D合金腐蝕行為研究中發(fā)現(xiàn)，添加0.4%Er后,鎂合金的自腐蝕電流密度小于空白試樣的自腐蝕電流密度，且0.4%Er對(duì)鎂合金的點(diǎn)蝕起到明顯的抑制作用。SONG等[24]發(fā)現(xiàn)，Er，Ce元素改性AZ91鎂合金可通過抑制β-Mg17Al12相的陰極作用，提高表面膜的致密性，改善合金抗局部腐蝕性能，從而極大提高AZ91鎂合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。

2 Mg-Zn-Zr系合金

Mg-Zn-Zr(ZK)系合金屬于高強(qiáng)度變形鎂合金。Zr元素的添加為結(jié)晶提供了異質(zhì)形核核心，可加快形核速率，細(xì)化合金鑄態(tài)組織，同時(shí)還能顯著縮小合金的結(jié)晶區(qū)間，減少合金的縮松、熱裂等鑄造缺陷，提高合金的鑄造性能和力學(xué)性能。目前，鑄態(tài)ZK61合金由于力學(xué)性能好和承載能力高，因此在飛機(jī)輪轂、起落架支架等受力件上替代AZ91鑄造鎂合金使用。但在工業(yè)應(yīng)用中，通常將Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.6%～0.8%，以獲得最大的晶粒細(xì)化效果和強(qiáng)化效果，如ZK60等。

ZK60合金鑄態(tài)組織主要由α-Mg基體和MgZn，MgZn2共晶組織組成，共晶組織鑄態(tài)下主要以片層狀、魚骨狀、顆粒狀等分布于晶界和枝晶間。雖然Zr元素提高了合金的強(qiáng)度，但其塑性變形能力較AZ系鎂合金要差，因而通常采用變形和熱處理來改善合金性能。研究發(fā)現(xiàn)[25-29]，擠壓態(tài)ZK60經(jīng)固溶+時(shí)效處理后，其屈服強(qiáng)度可達(dá)333 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)373 MPa。鍛造ZK60鎂合金經(jīng)200 ℃人工時(shí)效后，其力學(xué)性能配合最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到260 MPa，延伸率達(dá)到16%。軋制態(tài)ZK60合金經(jīng)固溶處理后，合金強(qiáng)度降低，而隨后的時(shí)效處理則使合金因第二相的析出而強(qiáng)度增大，塑性降低。同時(shí)，固溶處理后的合金疲勞強(qiáng)度和各個(gè)應(yīng)力梯度的疲勞壽命均有所提高，而時(shí)效處理則會(huì)降低合金的疲勞強(qiáng)度。陳立佳等[30]特別對(duì)熱處理后的擠壓態(tài)ZK60合金進(jìn)行了疲勞性能評(píng)估，發(fā)現(xiàn)時(shí)效處理和固溶+時(shí)效處理可有效提高合金在較高外加總應(yīng)變幅下的疲勞壽命，但降低了合金在較低外加總應(yīng)變幅下的疲勞壽命。

為開發(fā)更高強(qiáng)度和抗蠕變性能的ZK系鎂合金，研究人員開始向合金中添加稀土元素。稀土元素的加入使合金鑄態(tài)組織中出現(xiàn)了Mg-Zn-RE化合物，并以分離共晶體分布于晶界處，從而提高合金的強(qiáng)度和塑性，同時(shí)，添加一定量的稀土元素還可大大改善合金的鑄造性能。其中，具有代表性的ZE41和EZ33合金已得到廣泛應(yīng)用。ZE41合金因在150 ℃時(shí)仍能保持機(jī)械性能不變，而主要以鑄態(tài)形式應(yīng)用于變速箱。DING等[31]對(duì)ZE41進(jìn)行多次等徑角擠壓后，獲得了屈服應(yīng)力230 MPa，伸長率20%的良好綜合力學(xué)性能。EZ33因其良好的高溫抗蠕變性能，而被廣泛應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。SIEBERT-TIMMER等[32]在175 ℃和50 MPa 試驗(yàn)條件下的壓縮蠕變性能研究中，發(fā)現(xiàn)EZ33鍛造鎂合金在24 h后只有0.3%的總塑性變形，展現(xiàn)出均勻的彈性反應(yīng)。RYSPAEV等[33]更在特殊熱加工成形的EZ33鎂合金中觀察到超塑性變形。

ZK60變形鎂合金受強(qiáng)度和塑性的影響，應(yīng)用有限，還處于不斷研究探索中。ZK60主要采用稀土元素改性，以提高合金的強(qiáng)度與塑性。研究指出[34-38]，微量Er元素可使ZK60鎂合金的流變應(yīng)力和應(yīng)力峰值增大，平均激活能降低，且在160～320 ℃變形溫度下，提高合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)力值，進(jìn)而促進(jìn)晶粒的細(xì)化。添加微量Y元素則可在Mg-5Zn-0.8Zr合金中生成I相(Mg3Zn6Y)和面心立方結(jié)構(gòu)的W相(Mg3Zn3Y2)，從而細(xì)化合金組織，獲得較高塑性，并將擠壓態(tài)合金的電磁屏蔽性能在頻率范圍內(nèi)提高到79～118 dB。當(dāng)Y添加量為0.5%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)334 MPa，258 MPa和12.2%，而0.2%Y和0.5%Ce的復(fù)合添加則使合金的屈服強(qiáng)度達(dá)到300 MPa以上，延伸率穩(wěn)定在11.2%。曾祥亮[35]向ZK60合金中復(fù)合添加Cd和Nd后，發(fā)現(xiàn)Cd和Nd完全互溶，具有固溶強(qiáng)化作用，且Nd與Mg，Zn形成的Nd3Mg6Zn11共晶相會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使其擠壓態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高到334 MPa和300 MPa。此外，稀土元素的加入還可提高合金的阻尼性能。劉莉滋[34]對(duì)Nd摻雜的ZK60鎂合金阻尼性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Nd元素的加入不僅細(xì)化了合金顯微組織，還提高了合金的應(yīng)變特性，使其在應(yīng)變振幅ε處于中等范圍內(nèi)(1×10-4≤ε≤4×10-4)時(shí)表現(xiàn)出了良好的阻尼性能。

3 Mg-RE系合金

傳統(tǒng)的Mg-RE系合金主要是WE系列鎂合金，其因具有強(qiáng)度高、耐熱性好、綜合性能良好等眾多優(yōu)點(diǎn)，而得到較為廣泛的使用。最典型的合金是強(qiáng)度較好的WE54(Mg-5Y-4RE)合金，以及綜合力學(xué)性能良好的WE43(Mg-4Y-3RE)合金。近年來，國內(nèi)對(duì)WE系列合金的研究，除在WE合金上應(yīng)用新發(fā)展的加工方法外，主要集中在對(duì)WE系列合金的成分改良上，以發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐熱鎂合金。

吳偉等[39]應(yīng)用等通道擠壓(ECAP)對(duì)WE43(Mg-4Y-3Nd-0.7Zr)合金進(jìn)行了加工，通道夾角為90°。在325 ℃下擠壓4次，可提高合金在350 ℃以上時(shí)的塑性，在拉伸速率接近10-3s-1時(shí)，合金塑性的提高幅度最大，能提升約3/4，達(dá)到接近150%。擠壓還能提高合金在250 ℃及其以下時(shí)的強(qiáng)度，但合金在250 ℃以上時(shí)的強(qiáng)度則有所降低。

對(duì)WE系列合金的成分改良，多集中在稀土元素的添加上。如用釓(Gd)部分替代WE54合金中的釹(Nd)時(shí)[40]，合金經(jīng)T6處理后晶粒球化，晶內(nèi)和晶界上析出3種稀土元素的細(xì)小Mg-RE相，合金在300 ℃下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別可達(dá)220 MPa和180 MPa。WE43合金中少量的Nd被Gd替代(Mg-4Y-2Nd-1Gd)后[41]，合金在最優(yōu)化條件(525 ℃×8 h+225 ℃×16 h)下經(jīng)熱處理后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率分別為180 MPa，297 MPa，7.4%；合金在200 ℃以下時(shí)為強(qiáng)烈的沿晶斷裂，300 ℃以上時(shí)為典型的韌窩型韌性斷裂。如用Sm替代Nd時(shí)[42]，Mg-4Y-4Sm-0.5Zr具有最佳的綜合力學(xué)性能，該合金在經(jīng)350 ℃以上熱擠壓并時(shí)效處理后，最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，屈服強(qiáng)度超過300 MPa，伸長率仍保持在約7%。研究還表明：該合金在450 ℃時(shí)的變形機(jī)制以晶界滑移為主，而200 ℃×180 MPa下合金的壓縮蠕變則以位錯(cuò)攀移為主，壓縮蠕變應(yīng)力指數(shù)為4.1，具有較好的抗壓縮蠕變性能。

降低稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以降低合金成本，這也是努力的方向之一。如對(duì)WE53(Mg-5Y-2Nd-1Gd-0.5Zr)合金的研究表明[43]：經(jīng)525 ℃×8 h固溶處理后，合金中的第二相幾乎完全溶解，強(qiáng)度提高約10%，塑性由10.2%提高至14.5%；時(shí)效可顯著提高合金的強(qiáng)度，但合金塑性大幅下降；將合金在350 ℃下進(jìn)行擠壓(擠壓比10)，屈服強(qiáng)度提高至220 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到310 MPa，而塑性接近15%。

4 新型高性能鎂合金

4.1 新型Mg-Gd系高強(qiáng)鎂合金

Mg-Gd合金是俄羅斯的ROKHLIN于20世紀(jì)70年代在蘇聯(lián)拜可夫冶金研究所的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。稀土元素釓(Gd)在Mg合金中有較大的固溶度(最大固溶度23.49%)，且Gd在Mg中的固溶度隨溫度變化較大，能同時(shí)對(duì)鎂合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化。Mg-Gd的金屬間化合物還具有較高的熔點(diǎn)，適合發(fā)展熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高的鎂合金。此外，當(dāng)Mg-Gd合金中含有Y，Zn等元素時(shí)，可生成強(qiáng)度較高且塑性良好的長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(LPSO)的Mg-RE-Zn三元或多元金屬間化合物。該結(jié)構(gòu)能在保持合金高強(qiáng)度的同時(shí)，提高合金的塑性。因此，Mg-Gd合金成為近年來高強(qiáng)鎂合金研究的熱點(diǎn)。

由于金屬Gd密度較大，因此Mg-Gd合金的密度也較大。研究者除應(yīng)用其他一些重稀土元素(如Er，Sm等)部分替代Gd外，主要是應(yīng)用密度較小的Y元素和輕稀土元素Nd來替代合金中的部分Gd元素，以降低Mg-Gd合金的密度；Zn和Ag元素常被用于改善Mg-Gd合金的性能；Zr則對(duì)Mg-Gd合金有顯著的晶粒細(xì)化效果。由這些元素組合出Mg-Gd-Y-Zr，Mg-Gd-Nd-Zr，Mg-Gd-Zn-Zr，Mg-Gd-Ag-Zr，Mg-Gd-Y-Ag-Zr，Mg-Gd-Y-Zn-Zr等多個(gè)系列的合金[44]。

Mg-Gd-Y-Zn-Zr等合金中能生成LPSO結(jié)構(gòu)，具有良好的綜合性能，因而得到較多關(guān)注。LPSO結(jié)構(gòu)是一種長周期性堆垛層錯(cuò)有序和成分有序的晶體結(jié)構(gòu)，從某種意義上說是層錯(cuò)的有序堆垛[45]。具有低層錯(cuò)能的Mg合金是產(chǎn)生LPSO結(jié)構(gòu)的溫床，14H和18R是Mg合金中最常見的LPSO類型。18R型LPSO結(jié)構(gòu)一般在3個(gè)剪切方向表現(xiàn)為相同的ABCA型的4層結(jié)構(gòu)單元[46]；單個(gè)18R結(jié)構(gòu)存在應(yīng)變，且3個(gè)結(jié)構(gòu)單元剪切應(yīng)變相同。14H型LPSO結(jié)構(gòu)一般由2個(gè)相反方向的ABAC型結(jié)構(gòu)單元，以及結(jié)構(gòu)單元件的2層鎂原子組成，其相鄰結(jié)構(gòu)單元的正負(fù)剪切應(yīng)變相互抵消，總剪切應(yīng)變?yōu)榱?，故?8R型結(jié)構(gòu)能量更低，熱力學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)。14H型LPSO可在Mg-Gd-Y-Zn等經(jīng)350～500 ℃熱處理后由晶界處的共晶β相和18R型LPSO結(jié)構(gòu)再轉(zhuǎn)化而來，或直接出現(xiàn)于合金基體中[47-48]。由于LPSO結(jié)構(gòu)可同時(shí)提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性，因此含LPSO結(jié)構(gòu)的Mg-Gd等合金得到較多的關(guān)注。

我國具有稀土資源優(yōu)勢(shì)，尤其擁有較多的Gd等重稀土資源。國內(nèi)的研究人員充分利用稀土資源優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用Gd元素來開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合金，以替代WE系列合金，并取得了不錯(cuò)的效果。

重慶大學(xué)將Mg-9.23Gd-3.29Y-1.24Zn-0.87Mn擠壓成棒并進(jìn)行時(shí)效處理[49]。當(dāng)擠壓比為11時(shí)，擠壓+時(shí)效后的合金抗拉強(qiáng)度高達(dá)502 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到410 MPa，伸長率為3.8%；當(dāng)擠壓比為42時(shí)，擠壓+時(shí)效后的合金綜合力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為484 MPa和390 MPa，塑性達(dá)到5.0%。

上海交通大學(xué)開發(fā)的JDM2合金是一種Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%以上的高強(qiáng)度Mg-Gd-Y合金[11]。室溫下，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為370 MPa和240 MPa，伸長率約為4%；其T6態(tài)合金可在250 ℃下使用，此時(shí)的拉伸強(qiáng)度仍高于300 MPa；其蠕變性能良好，比WE54合金具有更好的高溫與常溫力學(xué)性能。該合金的擠壓態(tài)表現(xiàn)出明顯的時(shí)效硬化現(xiàn)象，400 ℃擠壓時(shí)效后(T5態(tài))的屈服強(qiáng)度為314 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到422 MPa，伸長率為3.7%。

重慶大學(xué)與重慶市科學(xué)技術(shù)研究院聯(lián)合開發(fā)了VW92E(Mg-Gd-Y-Zn-Zr)合金。T4處理態(tài)合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都接近260 MPa，塑性達(dá)到18.7%。經(jīng)T6處理后，合金的屈服強(qiáng)度提高至284 MPa，抗拉強(qiáng)度高達(dá)357 MPa，塑性保持為9.7%。合金還具有優(yōu)良的鑄造性能、極佳的高溫力學(xué)性能、良好的疲勞性能，各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于WE43A合金，具有很好的實(shí)際應(yīng)用潛力。

4.2 新型Mg-Gd系中等強(qiáng)度高塑性鎂合金

重慶大學(xué)對(duì)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～6%的Mg-xGd-0.6Zr合金進(jìn)行了研究[50]，開發(fā)出了具有中等強(qiáng)度的高塑性Mg-Gd合金，合金的抗拉強(qiáng)度均在205 MPa以上，塑性高達(dá)30%以上，且全部為韌性斷裂。經(jīng)擠壓后，Mg-6Gd-0.6Zr鑄態(tài)合金強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度為237 MPa，屈服強(qiáng)度為168 MPa，塑性達(dá)到33.4%；經(jīng)時(shí)效后，擠壓態(tài)Mg-6Gd-0.6Zr合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可分別提高至243 MPa和175 MPa，延伸率仍然保持在30%以上。Mg-4Gd-0.6Zr擠壓態(tài)合金能在抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到207 MPa和145 MPa的情況下，表現(xiàn)出高達(dá)43.4%的極高塑性。

4.3 新型Mg-Li系高塑性鎂合金

Mg-Li合金是工程應(yīng)用中最輕的無毒金屬結(jié)構(gòu)材料，其比強(qiáng)度為鋼鐵的20倍以上[51]，高于常見的其他種類合金，且可降低合金的c/a軸比，從而使合金塑性得到很大改善[52-53]。Mg-Li合金在4 K的極低溫下仍能表現(xiàn)出高達(dá)12%的塑性[52]，還可吸收高能射線，是航天領(lǐng)域中優(yōu)選的高性能鎂合金材料。

美國在20世紀(jì)五六十年代對(duì)Mg-Li合金進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了LZ91(Mg-9Li-1Zn)、LAZ933(Mg-9Li-3Al-3Zn)、商業(yè)化的LA141(Mg-14Li-1Al)等合金，將其廣泛用作航天領(lǐng)域的次級(jí)結(jié)構(gòu)材料[54]。蘇聯(lián)也開發(fā)了MA21(Mg)等牌號(hào)合金，并將其應(yīng)用于登月車[55]。1990年起，日本也對(duì)Mg-Li合金進(jìn)行了研究。近年來，我國的哈爾濱工程大學(xué)、中鋁公司鄭州研究院、西安四方超輕材料有限公司等多家單位對(duì)Mg-Li合金進(jìn)行了較為廣泛的研究，該系合金也在我國航天領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[56-58]。

Mg-Li合金依據(jù)Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，可分為3類：1) Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5.3%的是密排六方結(jié)構(gòu)的單α相Mg基合金；2) Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10.7%的是體心立方結(jié)構(gòu)的單β相Li基合金；3) Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于兩者之間的是同時(shí)含有α-Mg和β-Li兩相的雙相合金。3種類型的合金結(jié)構(gòu)不同，性能也有較大差異。

重慶大學(xué)對(duì)Mg-Li合金的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了較為綜合的研究[59]，比較了3種晶體結(jié)構(gòu)的Mg-Li合金變形加工后的性能特征。研究發(fā)現(xiàn)，將3種類型的Mg-Li合金在250～280 ℃下擠壓成板材并熱軋退火后，單α相的LA51(Mg-5Li-1Al)合金的抗拉強(qiáng)度約為170 MPa，屈強(qiáng)比低至0.55，且延伸率高于30%；LA91(Mg-9Li-1Al)雙相與單β相的LA141(Mg-14Li-1Al)合金塑性良好，抗拉強(qiáng)度普遍低于LA51合金，且屈強(qiáng)比都較高。值得注意的是，LA51合金的微觀結(jié)構(gòu)為大量的細(xì)小等軸晶，力學(xué)性能的各向異性很低。因此，Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的單α相的Mg-Li合金經(jīng)過并不復(fù)雜的變形加工，就可獲得具有較高的抗拉強(qiáng)度、較低的各向異性水平，且屈強(qiáng)比較低而過載容限較大的Mg-Li合金。

在單α相Mg-Li合金的研究中，制備了Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，3%和5%的3種AZ31合金的擠壓+軋制+退火態(tài)，發(fā)現(xiàn)300 ℃退火30 min后，合金的各向異性相對(duì)較小，3種合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線都出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象。值得注意的是，300 ℃退火30 min后的LAZ331(Mg-3Li-3Al-1Zn)與LAZ531(Mg-5Li-3Al-1Zn)2種合金的拉伸曲線上出現(xiàn)了鋸齒波現(xiàn)象，合金呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性，類似現(xiàn)象在多種Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～5%的Mg-Li合金中出現(xiàn)[60-62]，而Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小的LAZ131(Mg-1Li-3Al-1Zn)則表現(xiàn)良好。此外，宏觀織構(gòu)研究表明：LAZ131合金的基面織構(gòu)較強(qiáng)，晶粒取向的一致性較高，合金表面性質(zhì)與性能的均一程度較高；隨著Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，合金晶粒取向的隨機(jī)性增加，合金表面不同區(qū)域性質(zhì)與性能的均勻性降低。

進(jìn)一步的研究還表明：晶粒細(xì)化劑Al-5Ti-1B能明顯細(xì)化LAZ131合金的晶粒，對(duì)合金強(qiáng)度提高的程度有限，但合金的各向異性降低，特別是屈服強(qiáng)度基本達(dá)到各向同性。究其原因，主要是細(xì)化劑不僅細(xì)化了合金的晶粒，還使合金晶粒的取向更為分散，從而降低了合金的織構(gòu)強(qiáng)度。

綜合看來，從合金力學(xué)性能均勻性的角度考慮，選用Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右的單α相Mg-Li合金，在合金中添加晶粒細(xì)化劑，并經(jīng)簡單加工后，就可得到較為滿意的結(jié)果。若需要選取合金表面均勻性較強(qiáng)、力學(xué)性能水平較好的Mg-Li合金，則直接選用Li質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右的單α相Mg-Li合金，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぃ鵁o需添加晶粒細(xì)化劑。

5 鎂合金在航空航天上的典型應(yīng)用

鎂合金因具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼減振性能好，以及能屏蔽電磁輻射等一系列優(yōu)點(diǎn)[63-65]，而在大飛機(jī)、載人航天、探月工程等航空航天領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。高性能鎂合金的成功應(yīng)用，可大幅減重和縮小航天零部件的體積，從而降低能耗，簡化結(jié)構(gòu)，降低加工難度，節(jié)約加工成本。鎂合金在航空航天上的早期應(yīng)用主要是飛機(jī)，如圖1所示，用于蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速裝置、框架等重要部位上，實(shí)現(xiàn)零部件的大大減重與設(shè)備操控性能的大大提升。

圖1 美國B-36轟炸機(jī)(陰影部分為鎂合金材料)Fig.1 American B-36 bomber (magnesium alloy materials marked by shadows)

目前，已研究出的高溫鎂合金，如WE43，WE54，被廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱和直升機(jī)的變速系統(tǒng)中，能較好地服役于振動(dòng)、沙塵、腐蝕、高溫等惡劣環(huán)境，如西科斯基公司的S-92型直升機(jī)、貝爾BA-609型傾斜旋翼飛機(jī)和歐洲的NH90直升機(jī)。同時(shí)，EQ21，EQ22，ZE41，AM50，AM80，AZ91等鎂合金也在飛機(jī)零部件上得到了應(yīng)用，如座椅、踏板、輪子，以及各種電子附件等。AZ32B-H24和AZ91B也在GAR-1型Falcon(“隼”)空對(duì)空導(dǎo)彈的彈體制造中得以應(yīng)用。

飛機(jī)上常用的幾種鎂合金零部件如圖2所示[64]。圖2(a)為門止動(dòng)配件，其三向尺寸平均在60 mm左右，主要采用AZ80和WE43鍛件制造，可實(shí)現(xiàn)比鋁合金門止動(dòng)配件減重約30%。圖2(b)為壓縮機(jī)葉輪，其直徑為220 mm，高度為103 mm，采用AZ80和WE43鍛造成功，并減重30%。圖2(c)為壓縮機(jī)上殼，合金材料為WE43或WE54，分別經(jīng)過了5 500 kN的一次鍛造和10 500 kN的二次鍛造，再經(jīng)T5處理和陽極氧化鍍膜后獲得。服役性能高達(dá)200 ℃，比鋁合金制品成功減重約30%。圖2(d)為G-150服務(wù)門，其尺寸為1 170 mm×1 240 mm，由AZ31B-H24或ZK10A經(jīng)過超塑性成形獲得。

圖2 鎂合金在航空航天零部件上的典型應(yīng)用Fig.2 Typical applications of magnesium alloys in aerospace components

6 結(jié)束語

基于鎂合金輕量化效果顯著、綜合性能較好等特點(diǎn)，其在航空航天應(yīng)用上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。目前，鎂合金的總體規(guī)模較小，主要用在航空航天領(lǐng)域的非主要承力構(gòu)件上，應(yīng)用量不大，但依然呈現(xiàn)逐年增長的趨勢(shì)。總體而言，鎂合金應(yīng)用量取決于先進(jìn)鎂合金的研發(fā)進(jìn)度，在某些基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)、精深加工技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)研發(fā)等方面，仍然存在較多的難題，使得鎂合金的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、成本較高，高附加值產(chǎn)品呈欠缺狀態(tài)?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著鎂合金新材料、新技術(shù)的不斷研發(fā)與創(chuàng)新，其工業(yè)化應(yīng)用步伐必將加快，而其在航空航天零部件上的應(yīng)用價(jià)值將不可估量。