鋁合金和鎂合金的應用案例

鋁合金與鎂合金具有優(yōu)良的比強度、比剛度等優(yōu)良性能，同時有利于汽車輕量化、節(jié)能和減排。在汽車不斷輕量化的大趨勢下，鎂鋁合金在汽車上的應用會逐漸增加。本文主要探討了鎂鋁合金在汽車上的應用。

1. 大批量應用于汽車的鎂合金[1]

減輕車重是提高燃油經(jīng)濟性，滿足監(jiān)管要求和滿足消費者需求的重要途徑。鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)金屬之一，具有極大的減重潛力;然而，許多技術(shù)和商業(yè)障礙限制了它們在當今汽車和卡車中的使用。

在國內(nèi)，與傳統(tǒng)的鋁壓鑄件相比，降低原始金屬成本和部署多種低成本汽車相關(guān)防腐技術(shù)可以通過提高鎂壓鑄件的競爭力產(chǎn)生巨大的影響。初級鎂的成本和加工是巨大的商業(yè)和技術(shù)挑戰(zhàn)，新萃取技術(shù)的研究正在進行之中，并且必須繼續(xù)。然而，在鎂提取過程中沒有明確的“勝利者”，技術(shù)應該繼續(xù)致力于在商業(yè)和技術(shù)上可行的新穎概念。同樣，現(xiàn)有的防腐方法通常不能為各種部件和要求提供性能和低成本的適當組合。開發(fā)和部署先進的低成本防腐方案的努力將有助于解開汽車鎂的許多潛在應用。文中圖1顯示了美國主要鎂和鋁的平均市場現(xiàn)貨價格。

圖1 美國主要鎂和鋁的平均市場現(xiàn)貨價格曲線圖

其他幾個領(lǐng)域也需要注意。例如，開發(fā)ICME工具和繼續(xù)探索鎂釘行為下的基礎(chǔ)科學將為加速開發(fā)和應用于車輛減重創(chuàng)造新的機會。這種方法對開發(fā)實際上代表鎂的性能所必需的材料和工藝模型是至關(guān)重要的，在汽車里隨著對鎂的繼續(xù)研發(fā)，將新知識集成到商業(yè)CAE工具中，同時對汽車設(shè)計團隊進行研究并與之交互，這是實現(xiàn)更大部署鎂組件的必要步驟。最后，在汽車制造環(huán)境中鎂結(jié)構(gòu)的連接和組裝非常復雜和重要，值得獨立審查。汽車中使用的許多部件都受到其連接策略的強度或耐久性的限制，因此不能忽略其重要性。

2. 鋁合金連接件的最新進展[2]

鋁具有獨特的性能，例如在外觀，輕量，可加工性（可成形性），比強度和耐腐蝕性等方面均有突出的優(yōu)點。雖然純鋁和某些鋁合金以其極低的強度和硬度而聞名，但一些鋁合金（例如AA7075合金）的強度超過結(jié)構(gòu)鋼。

當處于液態(tài)時，鋁合金具有很高的氫溶解度和非常低的溶解度。如果焊接熔池在熔接過程中吸收氫氣，由于氫氣溶解度的下降，特別是液體與固體之間急劇的液滴凝固溫度，冷卻和凝固過程中過飽和氫氣將從液態(tài)金屬中排出，形成氣泡。如果在凝固之前氣泡不能從焊池浮出，它們將在焊縫中形成孔隙。因此，如果不采取適當?shù)念A防措施，則會在熔合區(qū)形成孔隙。文中圖1、圖2顯示了GMA焊接的Al?Zn?Mg合金中顯示孔隙度的光學宏觀圖。

圖1 在氣體金屬電弧（GMA）焊接的Al-Zn-Mg合金中顯示孔隙度的光學宏觀圖

圖2 鋁合金激光焊接的光學分析圖

而點焊技術(shù)的應用也為新材料在汽車上的應用提供了發(fā)展。目前，已經(jīng)在工業(yè)上用于制造船舶，飛機和航天飛機，火車以及用于鋁合金類似對接，搭接和點焊的其他車輛。在密集地研究將不同的Al合金板或Al合金板與其他材料（例如Mg合金）在對接和搭接配置中的適用性。在攪拌摩擦焊和點焊Al和Mg合金方面取得的任何進展，特別是在不同的組合中，將大大有助于光傳輸系統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)。最后，鋁合金板的攪拌摩擦點焊技術(shù)導致車輛的設(shè)計和制造使用較輕的材料（見文中Fig.12）。

Fig.12 Schematic illustration of double-sided friction stir welding applied to thicker plates

3. 未來鎂合金的挑戰(zhàn)[3]

由于鎂合金具有較高的強度重量比，因此非常適合應用在航空航天和汽車零部件。它們也被用作核工程應用的燃料包殼材料。然而，鎂合金由于其不可接受的快速腐蝕速率而未被廣泛應用，特別是在易腐蝕性環(huán)境中。因此，尋找耐久性耐腐蝕的鎂合金是未來的一大挑戰(zhàn)也是機遇。腐蝕是限制鎂合金廣泛使用的主要瓶頸。準確預測這些合金在機械和應力腐蝕下的腐蝕速率的物理化學模型對于提高抗腐蝕率是非常重要的。因此，目前有很多學者在集中開發(fā)能夠確定腐蝕條件下合金強度的物理化學模型。

關(guān)于鎂合金腐蝕的特殊問題是在最近幾年的背景下提出的，傳統(tǒng)的鎂合金腐蝕機理和減輕腐蝕的興趣。一些與鎂合金腐蝕有關(guān)的熱點問題是：它們作為臨時生物植入物的用途，合金微結(jié)構(gòu)在腐蝕中的作用以及用于耐腐蝕和腐蝕建模的有效涂層。

鑒于鎂合金具有高度的陽極性質(zhì)及其不可接受的高腐蝕率，任何在腐蝕性環(huán)境中經(jīng)久耐用的合金都需要有效的涂層。因此，目前有效的解決方法是在AZ31合金上形成真空退火碳氮化鈦薄膜。并探索退火溫度對涂膜性能的影響。另外一種解決方法是，通過查閱涂層參數(shù)以及等通道角擠壓（ECAP）在AZ91D合金上對合金基體的加工情況，選擇合適的涂層來減輕易腐蝕這一弊端。研究表明，增加ECAP通道的數(shù)量會導致更緊湊的微弧氧化（MAO）涂層，隨后提高耐腐蝕性。

[1]Joost W J,Krajewski P E.Towards magnesium alloys for high?volume automotive applications[J].Scripta Materialia,2017,128:107?112.

[2] ?am G,I?pekog?luG.Recent developments in joining of aluminum alloys[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2017,91(5?8):1851?1866.

[3]Singh R,Venkatesh V,Kumar V.Corrosion:Critical Challenge in Wider Use of Magnesium Alloys[J].2018.