基于数值模拟的镁合金研究发展现状

王飞，马明亮，郭纯

（1.安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100；2.中国船舶集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000）

镁合金在当今世界的应用是十分多的，它所具有的独特性也使得它成功地登上了世界的大舞台，改变了我们世界汽车产业的转变。

1 镁合金

1.1 镁

镁在我们地球中的含量约占2%的质量。镁的颜色为银白色，粉末状，熔点较高，有649℃，且质量十分的轻，密度只有1.74g/m3，仅有铜密度的1/4。镁的化学性质十分活泼，所以经常被用来作还原剂。由于世界环境的问题，目前节能、环保之类的概念在全球范围内都是非常热门的话题，镁金属凭借着其密度小等优异的特性，被应用于诸多镁合金产业中，镁合金产业也迅猛发展。目前，冶炼镁金属可以用两种方式：（1）从尖晶石、卤水或海水中将含有氯化镁的溶液经脱水或焙融氯化镁熔体，之后进行电解，此法称为电解法；（2）通过硅铁对煅烧碳酸盐所产生的氧化镁进行热还原，这种方法称为热还原法(皮江法)。

1.2 镁合金

镁合金是用镁和其他元素相融合所产生的具有优良特性的合金。经常与镁合金搭配使用的合金元素有Al、Zn、稀土金属元素、Li、Ag、Zr、Th、Mn及微量Ni等。镁及镁的合金极其容易被氧化，所以需要在表面进行一些特殊的处理，以保证镁及镁合金的性质。

化学转化处理：是被经常用到的镁合金表面改性技术的其中一种，它是通过一种处理液，使之与镁合金材料构件进行化学反应，在材料构件的表面产生一层保护膜，来保护镁合金不和其他物质反应，这种处理的方法简单，而且成本不高，不需要太多的机器设备。但其缺点也很明显，这个方法形成的保护膜一旦受到破坏，便极其容易损坏，所以只能起到减缓的作用，不适合长期的使用。

络化处理：目前，该领域应用的最广泛的一种方法，相对应的这种技术也是较为成熟的一种。这种技术使用络盐酸对材料进行处理，使材料实现化学方面的转化处理。它的原理是通过溶液使镁合金中的镁原子溶于溶液，同时，通过与溶液中的离子进行化学反应，在镁合金的表面，沉积一层络盐酸和其他成分的氧化膜来保护镁合金不受腐蚀。其特点是可以通过水膨胀的方式进行自我修复。但是，同样的，它也具有与化学处理相同的问题，保护膜太过容易受到破坏，不能长期使用。

磷化处理：是现阶段发展迅速的一种新的表面处理技术，它会在将来代替络化的工作，成为主要的表面改性方法。它与络化和化学转化的最大区别就在于其所产生的转化膜会结合得十分牢固，非常耐腐蚀且不容易被破坏，但是，也不适合长期防护。同时，这种方式具有毒性和对大自然的污染。所以，在镁合金的表面改性方面对新技术的需求还是较为迫切的。

1.3 镁合金的发展

1927年，一种具有高强度性质的镁合金MgAI9Zn，被首次研发出来，这是镁合金发展过程中上的一个划时代的里程碑。随后，镁合金被使用在汽车零件上，更是被应用于飞机上。从这以后，镁就开始被广泛应用于世界。由于历史原因，我国的镁工业起步较晚，但是，也取得了一些新的科研成功并加以利用和推广。并且伴随着我国合金技术的快速发展和镁合金加工技术的极大改善，镁合金逐步地占据了合金市场的一角。尤其是加入一些新的元素后，克服了大量的缺点，极大地促进了镁合金这一行业的发展。

1.4 数值模拟

数值模拟可以等价为使用计算机完成实验。比如，需要计算某一特定机翼的绕流数据，我们在利用计算机计算后，将结果输出到显示屏上，我们就可以观察到流场的那些细微之处：如激波是否存在，它的位置、强度、以及流动的分离、表面压力的分布、受力的大小以及其随时间的改变等。所以数值模拟能够真实地体现出流场，而且与真实的实验相比较，并没有多少差别。与真实实验相比，数值模拟具有大量的优点，且易实行。2005年，张先宏登利用数值模拟对AZ31镁合金压缩和挤压过程的应力-应变和温度场实行模拟，并取得了关键数据。数值模拟对于我们来说，具有极大的作用。在实际生活中，实验的次数和时间只占据了我们的一小部分，由于场地、材料和各种各样的原因，实验的过程并不是一帆风顺的。而数值模拟的好处就可以体现出来，它并不太受场地的影响，也不会有什么安全问题，更不会因为什么操作而导致实验结果的失败，还可以加大学生的实验时间和掌控计算机的能力。

2 国内发展现状

20世纪70年代，我国已经开始对Mg系列合金进行了探索和研究，探讨新的材料的性能。在80年代初，由我国北京航空材料研究所研制的九种铸造镁合金被大量的使用在国内的各项工业上，其中的ZM3合金更是用于国防工业。在随后的时间里，稀土金属受到了广泛的关注和重视，在1980年的ZM9就是其代表产物。ZM9的功能性更是与钍合金HZ32A没有太大差别，而且其不会像HZ32A那样具有放射性，也填补了我国在300℃镁合金领域的空缺。其同时代的ZM6合金，也被国外所采纳，我们所依靠的进口也被其所结束，实现了基本的自给自足。在那个年代，我们国家所展现出来的科研实力也被世界所认可，研究成果也都被大量应用于航空、汽车领域。

3 国外发展现状

国外镁合金的发展可以以前苏联、日本、欧美为代表。前苏联在为航天领域的探索所努力，他们对镁钇合金做了大量的实验，通过这些实验得到的数据中，发现掺杂10%Y的镁合金能够在低于260℃的环境中正常使用。掺杂9%的Y，1%Zn的镁合金会表现出极高的耐热性以及抗腐蚀性。与我们国家的所研发的稀土钍镁合金相比，其具有极高的耐热性，且不具有放射性。欧美国家的汽车工业领域正在快速地进展，他们已经开始探索耐热镁合金的大规模生产。AS41镁合金就是其第一件产物，生产AS41需要采用高压铸造来实现，加入0.1%的Ca能够加强合金的极限抗拉强度和伸长率。然后，其后系列的AS42镁合金也被研发出来，应用于汽车零件。英国则在对镁-钇-钕基合金发起了大量的探究，随后，则研究成功了WE型镁合金，该合金在性能方面已经可以和铸造类铝合金相等。日本由于地理位置等原因，一直重视着新材料的开发，开发出了一系列的研究成果，并于1994年提出Mg-Al-Ca-Mn新的思路。

4 发展前景

镁和镁合金是目前最具有发展潜力的轻型材料之一，具有极大的发展前景，镁合金在各行各业的应用也在不断增加。而我国的镁含量占世界的1/4左右，我们占据着极大的资源，其未来前景十分广泛，但是，由于我国在镁合金的相关领域中缺少必要的研究，我国距离镁合金的大规模应用还有很长的一段路要走，且大多数为廉价的初级加工产品，所含的技术并不多。所以，未来我国的镁合金的市场是十分广泛的，只要能够合理地开发，其所蕴含的价值会回馈到我们的国家，改善我们的生活。