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镁合金熔模铸造技术的发展现状（一）
简介：镁合金是目前使用最轻的金属结构材料，在航空航天轻量化方面具有良好的应用前景。随着应用技术和要求的提高，航空航天领域使用的零件逐渐向精密化、薄型化和集成化方向发展。与传统的镁合金铸造方法相比，熔模铸造技术在生产精密复杂的薄壁零件方面具有独特的优势。镁合金熔模铸造能更好地满足航空航天零件的要求。介绍了镁合金的成形技术，重点综述了熔模铸造技术及存在的金属-模具界面反应问题和研究现状。
镁及其合金具有较高的比强度和比刚度，良好的机械加工性和尺寸稳定性，以及良好的电磁屏蔽性能。镁合金已经应用于汽车制造、航空航天、电子通信等各个领域。在轻量化工程中具有巨大的应用潜力。早在20世纪40年代，美国就曾将镁合金应用于战斗机零部件，以降低机身质量；几乎与此同时，在20世纪50年代，镁合金被用于中国的飞机和导弹蒙皮以及发动机外壳。目前，航天领域使用的镁合金绝大多数为铸造镁合金，主要铸造方法为压铸，少数为重力铸造。随着应用技术和要求的提高，航空航天领域的零部件正朝着精密化、薄壁化和大规模集成化方向发展。传统的镁合金铸造工艺面临着越来越复杂的零部件，存在开模困难、铸造工艺复杂等问题。与传统的铸造方法相比，熔模铸造技术具有非常适合生产这些结构复杂、薄壁和厚度可变的零件的技术特点。该铸造技术的研发对镁合金在航空航天领域的未来应用具有重要意义。
1镁合金成形技术
镁合金成形技术包括铸造和塑性成形。铸造包括砂型铸造、定型铸造、消失模铸造、压力铸造、熔模铸造、挤压铸造和新型半固态铸造。其中，砂型铸造和压铸应用最广泛，适应性好，可用于大、小、单、批量生产。塑性成形是指通过挤压、轧制、锻造和热处理等手段获得目标形状、组织和性能。与铸造成形相比，塑性变形获得的镁合金缺陷少，力学性能较好，但镁合金室温塑性成形性差，加工成本较高。随着镁合金铸造成形技术的不断发展，铸造成形仍然是商用镁合金的主要成形方法。目前，商业上使用的镁合金90%是铸造镁合金。
2镁合金熔模铸造
熔模铸造可以获得机械性能与普通铸件相当、表面质量和尺寸精度更高的铸件。特别是对于大型复杂的薄壁铸件，熔模铸造有其独特的优势。熔模工艺包括蜡模压制、装模焊接、脱脂、制壳、脱蜡焙烧、熔化浇注、清壳、抛光精加工、无损检测等工序。熔模铸造具有以下优点：适用于生产结构复杂的铸件；熔模铸造可近净成形；适用于各种薄壁复杂铸件的生产。镁合金用于航空航天结构件可以有效减轻飞机重量。这些飞机上的一些零件不仅是结构复杂的薄壁零件，而且要求尺寸精度高、表面光滑。目前，航空航天领域使用的铸件趋向于精密化、轻量化、集成化和紧密成型。镁合金与熔模铸造技术的结合不仅可以实现轻量化，还可以满足航空航天零件的高要求。
2.1镁合金熔模铸造中的界面反应
镁是一种化学性质极其活跃的金属，熔融金属镁液会与空气接触，容易燃烧。此外，熔模铸造的壳体材料和结合材料中含有大量的氧化物，导致镁与熔模铸造的壳体发生高活性反应。这种界面反应会降低铸件的表面质量，严重的金属-模具反应会直接报废铸件。从而大大限制了镁合金熔模铸造的应用。镁合金在熔融状态下与氧或含氧化合物发生放热反应。
镁合金熔模铸造中金属-模具界面反应有三种类型：熔融金属与型壳反应。高温熔融金属倒入模壳时，可能直接与模壳材料发生反应，或分解模壳产生气体，或在界面之间形成薄膜，也可能分解成游离原子后与合金液发生反应；(2)熔融金属分解壳体材料，然后熔融金属与分解的物质反应；熔融金属与模具气氛发生反应，浇注前用保护气体冲洗模腔。如果冲洗不充分，空腔中的残余空气将与高温金属发生反应。例如，镁液在高温下与空气中的N2或O2反应。
为了减缓和消除熔融镁与型壳的界面反应，研究人员探索了多种方法。现有的研究报告主要包括：气体保护阻燃剂；阻燃剂；(3)选择合适的耐火材料制作外壳，以获得阻燃性。
2.2气体保护阻燃方法
气体保护阻燃法主要有两种保护机理。一方面，赶走型腔内的空气和水分，形成保护气氛，隔绝镁熔体与大气的接触；另一方面，气体与Mg或MgO反应形成密度更高的产物，填充在镁熔体的氧化膜之间，提高氧化膜的密度，防止金属与空气进一步反应。常用的阻燃保护气体有SF6、CO2和SO2。目前，SF6是研究最多的一个。其保护机制是气体中的S和F与Mg或MgO反应生成MgF2，增加了多孔氧化膜的密度，降低了孔隙率，使Mg原子更难穿透氧化膜。
一般SF6以CO2、Ar、N2等气体为载体，形成混合保护气体。ARRUEBARRENA G等人[6]使用与CO2混合的9% SF6进行无氧化物铸造。ZHANG Z等以二氧化硅和氧化锆为结合剂制作了两种陶瓷壳体，并选用AZ91镁合金，比较了1% SF6和CO2形成的混合气体和1% SF6对壳体-金属反应的抑制作用。研究结果表明，CO2和1% SF6的混合气体对两种类型的壳体都能达到良好的保护效果，获得光滑的铸件表面。由混合保护气体和镁液形成的保护层的密度随着SF6浓度的增加而增加。现有的研究结果表明，SF6的阻燃防护效果比较好，但SF6是一种有害的温室气体，其温室效应是CO2的23 900倍，在一些国家已经被法律法规限制或禁止。SO2的阻燃机理与SF6相似。镁熔体与SO2反应生成氧化镁，氧化镁与氧化镁复合形成致密的表面膜，防止进一步反应。SO2虽然不产生温室效应，但有毒，会危害生产工人的健康。
目前研究表明，新型HFC-143a气体是一种环保气体，无毒无害，对镁熔体有很好的保护作用。
