铸造镁合金热裂行为的研究
摘要：目前，现代化建设的发展迅速，热裂是铸造镁合金成形过程中常见的缺陷，该缺陷的产生极大限制了高性能镁合金的工业应用。了解热裂形成机理、掌握热裂评估方法和影响因素对科学选材和批量应用具有重要的理论和实践价值。总结了现有的热裂理论、试验评估方法、热裂影响因素以及大部分镁合金热裂行为的评估结果，期望能为研究同行提供参考。强度理论、液膜理论、晶间搭桥理论、凝固收缩-补偿理论、裂纹形成功理论和冲击应力理论指导了热裂评估设备的设计，并为研究合金成分、凝固条件和微观组织等因素对热裂行为的影响提供了理论基础。现有的热裂数据并非采用同一评估方法获得，很难进行横向比较。未来热裂研究应尽量统一评估所采用的设备方法，以便建立镁合金相关的数据库，进而为大数据科学选材提供可能。
关键词：铸造镁合金；热裂行为；研究
引言
镁合金轻量化效果好，资源丰富，是国际公认的最具潜力的结构轻量化材料之一，其扩大应用对全球节能减排和缓解矿业资源危机有重要战略意义。但由于镁合金熔体质量不高、塑性较低、耐蚀性差、合金牌号少等原因，镁合金产品的应用量长期处于较低水平。为此，国内外对镁合金新材料和制备加工技术开展了大量的研究，取得了重要进展。发展了“固溶强化增塑”新理论，突破了传统强化方法损害塑性的瓶颈，开发了一批新的高塑性镁合金，部分铸造镁合金的强度可达350MPa以上，同时塑性保持在10%以上。开发了熔体多重反重力过滤净化技术、熔体低成本无溶剂自纯化技术、熔体无溶剂合金化纯化技术等，熔体中Fe含量可以降低到20ppm以下，显著提高了熔体质量和铸件合格率。同时，开发了一系列铸造合金的晶粒细化技术，提高了晶粒细化效率和合金综合力学性能。基于上述技术的开发，铸造镁合金产品应用量有望在近几年实现大幅度增加。
1铸造合金的选用原则
光电产品的铸造零件一般尺寸大、壁厚小、受力复杂，并伴有振动和冲击等环境条件。因此为了保证安全性和可靠性，选材时必须要注意合金材料的综合性能，主要有两个方面:延伸率和铸造工艺性。铸造组织的结晶一般比较粗大，延伸率和韧性相对较低。而延伸率低的材料容易产生应力集中，对缺陷较为敏感。实践表明，零件破坏常常是由于局部应力集中或抗疲劳、抗冲击性能不足所导致的，所以选材应具有合适的延伸率。设计中应兼顾机械性能和铸造工艺性，因为铸造工艺性差的材料往往会影响机械性能的发挥，达不到预期的效果。光电产品中常用的铸造材料主要有铸铝系、铸镁系、铸钛系，铸钢材料密度大、重量重，在光电产品中一般不予采用。
2热裂评估方法
热裂评估方法有很多种，最开始使用的是环形测试法，随后出现了约束棒法，这些都是对热裂纹进行直接观测。随着仪器设备的发展，研究者开始关注合金材料和实验条件对热裂的影响，将温度、应力、位移等传感器添加到热裂设备当中。近十年来，研究者试图直接观察热裂纹的微观形成过程，将摄像机、扫描电镜、同步辐射X射线等设备也用于研究热裂纹的形成。尽管热裂设备有很多延伸和改进，但大体可以归纳为裂纹观察法、仪器测量法以及原位评估法3种。
3优化措施分析
3.1铸造镁合金
铸造镁合金材料主要有ZM1～ZM10，其中ZM5是应用最广泛的一种材料。ZM5合金是一种镁铝锌系合金，可用于砂型、金属型及压力铸造。该合金具有良好的铸造工艺性和焊接性。ZM5合金一般在T6或T4状态下使用。砂型单铸试验样经T6或T4处理后的抗拉强度不小于225Mpa，经T4处理后的延伸率(4%)明显好于T6处理(2%)，但T6处理后内应力释放较完全，零件加工过程中变形小，因此具体采用何种热处理方式还应综合考虑。ZM5合金的密度只有1．8g/cm3，比铝合金还要小的多，但比刚度接近铝合金、强度接近ZL101合金，因此在尺寸允许的情况下采用ZM5有较好的减重效果。ZM5具有镁合金材料的通病，即耐腐蚀性较差，必须做表面防护处理。表面处理常用的主要有化学氧化和微弧氧化。化学氧化的防护性能一般，需要喷底漆以及面漆来进一步提高防护性能。微弧氧化是在零件表明生成一层陶瓷状的物质，具有良好的耐腐蚀性能，一般厚度超过5um即可满足三防的要求。化学氧化和微弧氧化均不导电，需要导电的部位需要打磨处理，因此镁合金的使用受到一定的限制。
3.2钨极惰性气体保护焊
钨极惰性气体保护焊又被称为TIG焊，这种方法的原理是基于惰性气体的保护，通过钨电极与工件间产生的电弧热作用，实现母材的融化与焊丝填充，在镁合金焊接中，钨极惰性气体保护焊的应用的特点在于不容易融于金属，而且与金属不会发生反应。此外，TIG焊的另外一个优势在于焊接中能够对工件表面的氧化膜予以清除，对于一些具有活泼化学性质的有色金属、不锈钢以及合金等焊接而言，这种焊接技术具有较强的适用性，在对电流进行合理调整的情况下，一些超薄的镁合金焊接甚至不会出现融化现象。
3.3熔化极惰性气体保护焊
熔化极惰性气体保护焊又被称为MIG焊，其原理是通过氩气或富氩气体的保护，采用连续送进可融化的焊丝与在焊丝工件中燃烧的电弧作为热源，以此进行焊接作业。对于镁合金焊接而言，通过MIG焊的熔滴过渡，焊接的整体效果在稳定性与均匀性方面都比较突出，因此镁合金表面与内心的差异得到了有效控制，焊缝成形的美观性与均匀性较强，具有相对理想的焊接效果。在MIG焊的应用中，电弧气氛的氧化性很弱，基于此，MIG焊在碳钢、高合金钢的焊接中，能够对一些活泼金属及其合金进行焊接，例如铝和铝合金、镁和镁合金等等。此外，基于MIG焊的应用，整个焊接具有更高的工艺性，焊接效率也得到了大幅度提升。
3.4电子束焊
电子束焊又被称为EBW，这种焊接技术是基于加速与聚焦的电子束的应用，对置于真空或非真空中的焊件进行轰击，从中产生热能并实现焊接。就理论层面而言，电子束焊涉及到的内容相对广泛，例如机械、真空、高电压与电磁场理论、电子光学等等。对于镁合金焊接而言，电子束焊技术的应用对不同金属与合金材料的适应性较强，特别是在镁合金发生氧化反应时，其生成的氧化镁不易融化，通过电子束焊技术，其焊接效果能够趋于稳定与理想，并且电子束能够对焊缝进行精准定位，不会存在精度与重复性误差，因此在镁合金焊接中具有较高的应用价值。
结语
综上所述，镁合金焊接中依然存在一些缺陷，例如镁合金对氧气的化学亲和力一直以来都难以得到有效控制，例如在镁合金碎屑或粉尘在高温条件之下发生爆炸的可能性非常高，进而对工件质量与安全构成一定威胁。由此可见，针对镁合金及其焊接技术的研究与应用具有重要意义。而脉冲激光焊、电子束焊、钎焊、扩散焊及激光电弧复合焊尚未在铸造镁合金的焊接修复中有所应用，还需进行深入研究和工程实践。且基于铸造镁合金焊接修复技术的焊缝形状尺寸和组织性能调控问题、界面问题、焊材开发问题、智能制造问题、可靠性评价体系等系统性研究仍需广大学者给予关注。
参考文献
[1]王渠东,王俊,吕维洁.轻合金及其工程应用[M].北京:机械工业出版社,2015:5—12.
[2]杨明波，刘婧，钟罗喜，等．重庆理工大学学报(自然科学)，2019，33(2)，99．
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