三种汽车用轻量化材料的研究进展.docx

? ? 三种汽车用轻量化材料的研究进展 ? ? 杨浩坤,黎伟华 （香港生产力促进局智能制造部，香港 999077） 碳达峰指的是二氧化碳排放量达到历史最高值，达到峰值之后进入逐步降低的阶段。碳中和指的是二氧化碳的排放量与去除量相互抵消。这两项目标相辅相成，即只有实现碳达峰，才能实现碳中和［1］。为实现碳达峰，进而完成碳中和目标，降低化石燃料的消耗是必须考虑的方案。根据世界银行公开数据显示，目前中国的二氧化碳排放量约为100亿吨，占全球排放量的29%［1］，其中与交通业相关的碳排量占比约10%，且总体呈现上升趋势。因此，低油耗、低排放技术是目前中国交通运输产业发展中急需解决的关键技术［2］。根据有关研究结果显示［3-4］，每减轻10%的车身重量就可以降低10%的废气排放量，同时可提升6%—8%的燃油效率。由此可见，降低汽车车身整体重量，对降低二氧化碳排放量和提升燃油效率有着双重的促进作用。 实现汽车车身轻量化，可以从两个方面入手。一方面，用轻合金替代传统钢材，实现结构件整体重量轻量化的目标，该类型的轻合金包括高强度7 系铝合金［5-6］、高强高韧镁锂合金［7-8］等最新轻合金材料。另一方面，通过新工艺实现轻合金（铝合金、镁合金）作为结构件替代部分钢结构材料，以实现汽车车身结构轻量化，相关新工艺包括异种金属（铝-钢、镁-钢）的耐疲劳、无焊孔的回填式搅拌摩擦焊接技术［9-10］，以及通过累积叠轧［11-12］和热压［10，13］等工艺。此外，通过设计高效的散热导热材料，以有效降低散热器件的体积和重量，在满足导热效率的同时，可增强材料和构件强度和安全性。利用粉末冶金［13-15］或搅拌摩擦焊接［16-18］等方法，制备的颗粒增强铝基或镁基复合材料，在保证整体构件导热性的前提下可提升构件的强度和耐磨性。 除了对轻量化方面的需求外，汽车工业在安全性、低成本以及快速制造等方面也有着日益严苛的需求。本文以轻合金材料的轻量化和功能化设计为主线，对超轻镁锂合金、铝-碳（化物）复合材料和铸造铝合金的新工艺和性能进行论述，结合本研究团队在金属及其复合材料轻量化及功能化方面的研究进展进行了介绍，对我国新材料与工艺的发展需求进行展望，以期为中国金属产业的发展提供借鉴和参考，贡献绵薄之力。 1 超轻镁锂合金性能与制备工艺 作为轻合金中最有发展潜力的镁合金，因其具有较低的密度和良好的成型性能（可进行压铸、挤压和冲压等工艺成型），被视为汽车轻量化设计的关键材料而备受关注。其中，镁锂合金作为新一代超轻镁合金的代表，引起了学术与工业界的广泛关注。 1.1 镁锂合金介绍 目前镁锂合金作为金属结构材料中最轻的合金，将会在交通运输，尤其是汽车车身轻量化方面有着广泛的应用。镁锂合金的密度一般在1.35—1.65 g?cm?3之间，并随着Li 元素含量的增加而进一步降低至1 g?cm?3以下［19］。根据镁锂合金二元相图［20］（图1）可知：当Li 元素的质量分数低于5.7%时，合金以密排六方（hexagonal close-packed，hcp）的α-Mg 相组成；当Li 元素的质量分数高于10.3%时，合金由体心立方结构（body centred cubic，bcc）β-Li相组成；而当Li 元素的质量分数介于5.7%—10.3%之间时，则由α-Mg 相与β-Li 相混合组成。由于Li 元素的加入，激活了α-Mg 相中的锥面滑移，提升了hcp 结构的α-Mg 相的塑性变形能力［21-22］；并且bcc 结构的β-Li 相在室温下有较强的塑性，最终使得镁锂合金在室温下的塑性能力得到大幅提升。但是镁锂合金的抗拉强度很难超过200 MPa 的安全结构设计要求，极大限制了此类超轻合金在汽车车身轻量化方面的应用［23］。为此，国内外学者针对镁锂合金的强化方法，发展出了以合金化成分设计和塑性变形强化为主的两条路线，并取得了一定突破。 图1 镁锂合金二元相图［20］Figure 1 Mg-Li binary phase diagram 1.2 镁锂合金的合金强化机制 为了提升镁锂合金的强度，Al 和Zn 元素被考虑添加在基体中形成有效的强化相，并可起到细化晶粒 等 效 果［24-25］。Tang 等［26］和Hagihara 等［27］研 究 发现，固溶在β-Li 相中的Al 元素（质量分数5%），经过350—400 ℃人工时效处理，会形成DO3-Mg3Al 半共格纳米尺度的析出物，可极大提升bcc 相中的｛101｝滑移面上的滑移分切应力至220 MPa 以上，进而获得抗拉强度高达400 MPa 的新型Mg-Li-Al合 金 材 料。另 外，根 据Perugu 等［28］和Yamamoto等［29］的研究指出：在镁锂合金中添加Zn 元素可以有效降低α-Mg 相的体积分数和片层