轻合金技术新进展

铝、镁、钛等金属的密度小，分别为2.7g/cm3、1.7g/cm3、和4.5g/cm3、，因此，这几种金属通常被称为轻金属，其相应的铝合金、镁合金、钛合金则称为轻合金[1,2]。铝合金具有比重小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金[3~5]。镁合金具有比重小，比强度、比刚度高，阻尼性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定，资源丰富，易回收，无污染等优点，因此，在汽车工业、通信电子工业和航空航天工业等领域正得到日益广泛的应用，近年来全世界镁合金产量的年增长率高达20％，显示出了极为广泛的应用前景[1,15]。钛合金比重小、耐蚀性好、耐热性高、比刚度和比强度高，是航天航空、石油化工、生物医学等领域的理想材料；同时，钛的无磁性、钛铌合金的超导性、钛铁合金的储氢能力等特性，使得钛合金在尖端科学和高技术方面发挥着重要作用[1,32]。

本文简要综述目前国内外在轻合金方面的研究开发、应用现状及最新进展，分析了我国在轻合金材料发展及其应用方面存在的问题，提出了今后一段时间我国在轻合金材料研究、开发与应用方面的对策。

铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。铝材应用的迅速发展是世界铝工业界不断开发新的铝合金材料的结果[3~5]。表1列出了铝合金的特性及主要应用领域[2]。 　　铝合金的发展可追溯到1906年时效强化现象在柏林被Alfred Wilm偶然发现，硬铝Duralumin、随之研制成功并用于飞机结构件上[7]。在此基础上随后开发出的Al-Cu-Mg系合金，如2014和2024，其抗拉强度为350~480MPa'，至今仍在使用。第二次世界大战期间，由于军用航空材料的需要，抗拉强度超过500ＭＰ'的Al-Zn_Mg_Cu.合金发展起来，其中最著名的合金是7075[6]。第二次世界大战后，－系列新合金（尤其是7000系），如7050、7010、7475和7055等研制成功。这些铝合金的研制，在不断提高强度的同时，更加注重改善其抗应力腐蚀性能和断裂韧性，以提高构件的工作可靠性[1]。目前，高强、高韧是铝合金发展的主要方向。

为提高2024的断裂韧性，通过控制合金中的Fe、Si杂质量并调整溶质元素的量，美国研制出了2124、2048和2524等合金[1,10]。其中新合金2524已广泛用于B777机身，在强度相当的条件下，其断裂韧性和抗疲劳能力明显优于2024[7]。

2000系合金的高温蠕变强度很高，典型合金有2618和2219。其中2219合金是一种焊接性、耐热性、韧性都很好的合金，主要用作航空油箱材料。进一步降低2219合金中的Fe、Si杂质量，提高Cu含量使之超过固溶极限以上，开发了韧性更高的2419、2021及2004合金，而且2004合金超塑性能良好[10]。　　研究发现，微量Ag(~0.1at.%)可促进所有含Mg铝合金的时效强化。由此开发出的典型合金有Al-4Cu-0.3Mg-0.4Ag和Al-6.3Cu-0.4Mg-0.4Ag-0.3Mn-0.2Zr。与其他2000系合金相比，前者具有优良的蠕变性能；后者既具有较高的室温强度，又提高了高温和蠕变性能[1]。最近，法国也发明了一种高蠕变强度的含Ag铝合金（芙国专利No.5738735）[12]。

对于7000系合金，长期困扰的问题是7079-T6和7075-T6等合金抗应力腐蚀开裂性差，为此开发了T73热处理工艺。T73热处理对防止应力腐蚀很有效，但与T6处理相比，材料强度降低了15％[1]。　　因此，很多研究都围绕着如何既获得T6的强度又具有T73的抗应力腐蚀性能。通过调整成分和工艺，出现了7049、7050、7150和7033等合金；添加Zr代替Cr，开发了7010和7012合金；在T73之前对合金进行热变形；采用T77处理工艺的合金，如7055-T7751，用于B-777客机以承受压缩载荷为主的上机翼翼面，使其重量减少了635kg[1,6,10]；英国开发、1999年6月在美国注册的7034合金，则具有优秀的损伤容限[13]。

铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金，在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。例如，美国1998年用2195铝锂合金代替2219合金，制造奋进号航天飞机的液氢液氧外推进剂贮箱，减轻重量约3500ｋｇ，获得巨大效益[6~8]。

按时间顺序和性能特点可将铝锤合金划分为三代。第一代以1957年美国Alcoa公司研究成功的2020合金为代表，但其塑韧性水乎太低。第二代为20世纪70~80年代发展起来的铝锂合金，其中具有代表性的合金有.苏联的1420，美国的2090，英国的8090和8091，法国的2091等，这些合金具有密度低、弹性模量高等优点，都已获得了一定的应用，其中1420是目前最为成熟的铝锂合金[8,11]。进入20世纪90年代以后，人们针对第二代铝锂合金本身存在的各向异性、不可焊、塑韧性及强度水平较低等问题，开发出了一些具有特殊优势的第三代新型铝锂合金。如高强可焊的1460和Weldalite系列合金，低各向异性的AF/C489和AF/C458台金，高韧的2097和2197合金，高抗疲劳裂纹的C-155合金，及经特殊真空的XT系列合金，超轻的8024Al-Li_zr合金（1999年注册）等[10,13]。其中对高强可焊合金和低各向异性合金的研究最多，是第三代铝锂合金的发展方向。表2为第三代主要铝锂合金的典型性能[8,13]。

开发能够替代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合金可以缩短制造周期，降低成本。国外最著名的高强韧铸造铝合金有法国的A-U5GT，美国的201.0，这些合金都具有很好的力学性能。我国的ZL205A，抗拉强度为510MPa，延伸率可达13％。最近；北京航空材料研究院研制出一种与ZL205A成分相近、韧性特别好的铸造铝合金，其延伸率达19％～23％，冲击韧性为ak181~304kJ/m2[9]。

近年来，铸造铝基复合材料发展较为迅速，例如，铸造Al-Si基SiC颗粒增强复合材料，提高了合金的性能，尤其是刚性和耐磨性，并已应用到航空、航天、汽车等领域。此外，一些新型的具有特种功能的铸造铝合金材料也处于研究应用阶段。

在快速凝固／粉末冶金（RS／PM）铝合金方面，国内外已出现了几种典型的合金，如高强耐蚀的Al-Zn_Mg_Cu（7090、7091和X7093）系铝合金，耐热的Al-Fe（8009、X8019和LG5）、Al-Cr.和Al-Ti系铝合金，低密度高模量的Al-Li-Cu-Mg-Zr铝合金，高硅耐磨铝合金等[3]。

近几年来，喷射沉积铝合金工艺受到英国、法国、瑞士和日本等国家的高度重已用于生产2000系、7000系、AL-Li系、AL-Si系等合金，碳化硅颗粒增强铝合金复合材料[3]。

其他近年来发展成功或正在研制的具有发展前景的新型铝合金及技术.

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的应用也还很有限。目前，镁合金的产量只有铝合金的1％。镁合金作为结构应用的最大用途是铸件，其中90％以上是压铸件[14]。

限制镁合金广泛应用的主要问题是：由于镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合金的生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差；现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温（150～350℃）场合的应用；镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高；镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求[14~19]。　　镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金按合金组元不同主要有Mg-Al-Zn-Mn系（Az）、Mg-Al -Mn系（AM）和Mg-Al-Si-Mn系（As）、Mg-Al-RE系（AE）、Mg-Zn-Zr n（ZK）、Mg-Zn-RE系（ｚＥ）等合金。常用铸造镁合金的牌号及性能见表４[2,14]。表5为常见变形镁合金的化学成分及基本特性[2,20]。

我国具有丰富的镁资源，原镁产能、产量和出口均居世界首位。在镁和镁合金的研究和应用领域，我国与欧美等发达国家之间的差距还相当大'一方面，我国的原镁质量差，镁合金锭的质量也不尽如人意，出口缺乏竞争力，作为结构材料应用的镁在国内的消耗量又很少，只能作为初级原料低价出口，属典型的资源出口型工业，目前，国内的镁冶金企业大都处于亏损或面临倒闭；另一方面，我国对镁合金的研究和应用更显薄弱。因此，如何利用我国的镁资源优势，将镁的资源优势转变为技术、经济优势，促进国民经济发展、增强我国镁衍业的国际竞争力，是摆在我们面前的迫切任务[24]。

耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件（如发动机零件）材料在汽车等工业中得到更广泛的应用。

己开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素。含稀土的镁合金QE22和WE54具有与铝合金相当的高温强度，但是稀土合金的高成本是其被广泛应用的一大阻碍[18]。

Mg-Al-Si（AS）系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金。175℃时，AS41合金的蠕变强度明显高于AZ91和AM60合金。但是，AS系镁合金由于在凝固过程中会形成粗大的汉字状Mg2Si相，损害了铸造性能和机械性能。研究发现，微量Ca的添加能够改善汉字状Mg2si相的形态，细化Mg2si颗粒，握高AS系列镁合金的组织和性能[18]。

从20世纪80年代以来，国外致力于利用Ｃ·来提高镁合金的高温抗拉强度和蠕变性能。最近美国开发的ZAC8506（Mg-8Zn-5Al-0.6Ca），以及加拿大研究的Mg-5Al-0.8Ca等镁合金，其抗拉强度和蠕变性能都较好。

2001年，日本东北大学井上明久等采用快速凝固法制成的具有100~200nm晶粒尺寸的高强镁合金Mg-2at% Y-1at% Zn，其强度为超级铝合金的3倍，还具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。

镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决：①严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ｎi等杂质元素的含量。例如，高纯AZ91HP镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C的100倍，超过了压铸铝合金A380，比低碳钢还好得多。②对镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢[2]。

镁合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烷。实践证明，熔剂保护法和SF6、SO2、CO2、Ar等气体保护法是行之有效的阻燃方法，但它们在应用中会产生严重的环境污染，并使得合金性能降低，设备投资增大。

纯镁中加钙能够大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但是由于添加大量钙会严重恶化镁合金的机械性能，使这一方法无法应用于生产实践。铰可以阻止镁合金进一步氧化，但是铰含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。

最近，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心通过同时加人几种元素，开发了一种阻燃性能和力学性能均良好的轿车用阻燃镁合金，成功地进行了轿车变速箱壳盖的工业试验，并生产出了手机壳体、ＭＰ3壳体等电子产品外壳[15]。

现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在Ｍg-Ｚn和Ｍg-Ｙ合金中加人Ca、Zr可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度[1]；加人Ag和Th能够提高Mg-RE-Zr合金的力学性能，如含Ag的QE22A合金具有高室温拉伸性能和抗蠕变性能，已广泛用作飞机、导弹的优质铸件；通过快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤（ECAE）等方法，可使镁合金的晶粒处理得很细，从而获得高强度、高塑性甚至超塑性[16,19]。

虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。因此，开发变形合金，是其未来更长远的发展趋势[20]。

新型变形镁合金及其成型工艺的开发，已受到国内外材料工作者的高度重视。美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品，如通过挤压＋热处理后的ZK60高强变形镁合金，其强度及断裂韧性可相当于时效状态的Al7075或Al7475合金，而采用快速凝固（RS）＋粉末冶金（PM）＋热挤压工艺开发的Mg-Al-Zn系EA55RS变形镁合金，成为迄今报道的性能最佳的镁合金，其性能不但大大超过常规镁合金，比强度甚至超过7075铝合金，且具有超塑性（300℃，436％），腐蚀速率与2024-T6铝合金相当，还可同时加人SiCp等增强相，成为先进镁合金材料的典范。日本1999年开发出超高强度的IM Mg-Y系变形镁合金材料，以及可以冷压加工的镁合金板材。英国开发出Mg-Al-B挤压镁合金，用于Magnox核反应堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上的兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金，法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极薄板材料。

镁合金成形分为变形和铸造两种方法[21,22]，当前主要使用铸造成形工艺。压铸是应用最广的镁合金成形方法。近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B镁合金汽车轮毅和方向盘，后者也己开始用于生产汽车上的镁合金零件。

镁合金半固态触变铸造（Thixo-Molding）成形新技术，近年来受到美国、日本和加拿大等国家的重视。与传统的压铸相比，触变铸造法无需熔炼、浇注及气体保护，生产过程更加清洁、安全和节能。目前已研制出镁合金半固态触变铸造用压铸机，到1998年底，全世界已有超过100台机器投人运行，约有40种标准镁合金半固态产品用于汽车、电子和其他消费品。但相对来说，半固态铸造镁合金材料的选择性小，目前应用的只有AZ91D合金，需要进一步发展适用于半固态铸造的镁合金系。

其他正在发展的镁合金铸造成形新技术有镁合金消失模铸造、挤压铸造－低压铸造结合法、挤压铸造-流变铸造结合法和真空倾转法差压铸造等。