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镁合金——未来的道路交通运输材料

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图1 一体积为40×40×70nm3的含锂镁合金的原子重排,由原子探针断层扫描得到。绿色、紫色和浅蓝色分别代表镁、锂和铝含量较高的区域。富铝区和富锂区增加了镁合金强度。富锂区较易形成氧化锂表面薄膜,进而形成碳酸锂保护膜。样品经挤压成型、热处理、水淬、冷轧等形成

使用低密度材料来制造交通工具,具有提高燃料效率和减少有害气体排放的优点。例如,将汽车结构组件的材料由碳钢改为镁合金、铝合金或是聚合物基复合材料。但是,受力学性能和耐腐蚀能力的限制,镁合金在汽车和航空航天工业的应用并不广泛。相反,镁合金往往用于运动器械(如高尔夫球杆、自行车配件)和个人电子设备(如手机、笔记本电脑)。因此,提高镁合金的耐腐蚀性、强度和成型性能成为推广镁合金应用的首要任务。

尽管材料的选择需要衡量诸多因素:价格、耐用性、可靠性、便于批量生产。但这些性质往往不能兼得,例如:提高镁合金的耐腐蚀性往往意味着降低其强度。但是,最近《自然》杂志上就刊登了这样一种改良镁合金,其强度、刚度、延展性和耐腐蚀性在原有基础上均有提高。

改良的关键在于,向镁合金中加入原子数百分含量约为30%的锂。新型镁合金的密度为1.4g/cm2,比传统的镁合金轻22%。新型镁合金的结构为体心立方,而传统镁合金为六方密堆。体心立方中的原子发生滑移的可能性更大,从而提高了材料的延展性。研究人员通过挤压成型、热处理、水淬、冷轧等工序制备出低密度含锂镁合金。冷轧工艺提高了镁合金失效应力,但不减少其硬度。研究人员通过控制富铝区和富锂区的结构实现这一突破。

镁合金的耐腐蚀性尤为重要。镁和锂的化学性质活泼,甚至能与水发生反应。通过适当的热化学处理,研究人员将含锂镁合金发生腐蚀概率降到最低。众所周知,不锈钢上易形成氧化铬薄膜、铝合金上易形成氧化铝薄膜,从而阻隔外界化学环境,保护合金。尽管镁并不能自发形成类似的保护膜。但是,锂和空气中的二氧化碳化合将形成碳酸锂薄膜。而合金中分布的富锂区将有助于碳酸锂薄膜的形成。另一方面,由于合金中不存在粗相晶粒或金属键化合物,电偶腐蚀的概率大大提高。

电偶腐蚀是指由于腐蚀电位不同,造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀现象。要想让镁合金在交通运输、建筑行业中广泛应用,就必须降低其受到电偶腐蚀的可能性,仅靠碳酸锂薄膜是远远不够的。因此,研究人员还开发出一种多层防护涂料,该涂料经化学浴浸泡而形成,将起到暂时性防腐保护的作用,类似于汽车的防刮玻璃。
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图2 新型镁合金的微观结构示意图。合金的延展性得益于金属基体的体心立方结构,其强度得益于富铝区和富锂区中纳米结构的形成和冷淬过程中的高位错密度。碳酸锂表面薄膜增强了合金的耐腐蚀性

研究人员仍在努力探索,致力于寻找出符合要求的轻型交通运输材料。他们相信,在不久的将来,高性能的含锂镁合金将广为人知。研究人员也将更深入地理解、控制镁合金的性质,在最大程度上发挥其应用。

 

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文章来源:材料与测试/Kate0609译自Natural Materials

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