高性能稀土鎂合金研究與應(yīng)用進(jìn)展

董天宇

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065000）

鎂作為最重要的輕金屬元素之一，它的密度只有1.74g/cm3，大約是鋅合金的1/3，鋁合金的2/3，鋼鐵的1/4。與其他金屬結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，減震性能好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定，資源豐富，鑄造性能、阻尼性能、切削加工性能好以及容易回收，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為是“21世紀(jì)綠色環(huán)保工程材料”[1，2]。因此鎂合金的應(yīng)用和發(fā)展也受到人們的廣泛關(guān)注。但是鎂合金也有絕對(duì)強(qiáng)度低，高溫下力學(xué)性能較差，室溫變形加困難，易腐蝕等缺點(diǎn)[3，4]。所以，發(fā)展高性能鎂合金也成為了鎂合金研究領(lǐng)域的重要課題。

稀土鎂合金是近年來(lái)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。大部分稀土元素在鎂合金中的固溶度比較高，具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，可以改善鎂合金的高溫力學(xué)性能和抗蠕變性能，同時(shí)有利于提高耐蝕性。此外，稀土元素可以降低鎂在液態(tài)和固態(tài)的氧化傾向，具有除氫脫氧等作用，使稀土鎂合金具有良好的耐熱性和耐蝕性[5]。目前應(yīng)用得比較廣泛的稀土元素有La、Ce、Pr、Nd、Y、和Gd等，可以形成二元稀土鎂合金，也可以添加非稀土元素組成三元或多元稀土鎂合金體系。主要為了提高鎂合金的綜合性能，擴(kuò)大鎂合金在工業(yè)上的進(jìn)一步應(yīng)用。本文總結(jié)了稀土元素在鎂合金中的作用，主要介紹了高強(qiáng)稀土鎂合金、耐蝕稀土鎂合金、耐熱稀土鎂合金的研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)述了高性能稀土鎂合金在工業(yè)上的應(yīng)用狀況。

1 稀土元素在鎂合金中的作用

稀土是中國(guó)的富有資源，同時(shí)也是鎂合金中的重要元素。稀土元素可降低鎂在液態(tài)和固態(tài)的氧化傾向，顯著提高鎂合金的耐熱性，細(xì)化晶粒，減少顯微疏松和熱裂傾向，改善鑄造性能和焊接性能，提高力學(xué)性能，一般無(wú)應(yīng)力腐蝕傾向，其耐蝕性優(yōu)于其他鎂合金[6-8]。主要原因在于稀土元素由于具有：①對(duì)炭、氮、氧、硫的其它夾雜元素的高度親合力；②大的原子尺寸(1.73-2.04A，比鐵的原子半徑1.24A大)，有利于晶粒細(xì)化；③蒸氣壓低；④有形成合金的能力等特點(diǎn)，稀土元素與鎂在富鎂端形成金屬間化合物(共晶或包晶)，與此同時(shí)，還可以降低碳、氮、氧、硫等有害雜質(zhì)的影響，減少氣孔、降低氣孔率，對(duì)鎂合金具有很好的熔體凈化作用，提高鑄態(tài)合金的質(zhì)量[5]。

大部分稀土元素在鎂合金中具有較大的平衡固溶度，具有優(yōu)良的固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化作用。應(yīng)用比較廣泛的稀土元素有La、Ce、Pr、Nd、Y、和Gd等。稀土元素加入到鎂合金中后，部分稀土元素會(huì)與鎂形成Mg-RE第二相化合物，另外一部分稀土元素會(huì)溶入到鎂基體中，形成置換固溶體，造成固溶體局部晶格畸變，從而改變合金的力學(xué)性能。此外，部分稀土元素在鎂合金中具有較高的平衡固溶度，且隨著溫度的降低看，固溶度顯著減小，因此，稀土元素在鎂合金中具有明顯的時(shí)效強(qiáng)化作用。通過(guò)加入稀土元素提高鎂合金力學(xué)性能的強(qiáng)化方式有很多，包括：固溶強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化，時(shí)效強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化等。在這些強(qiáng)化方式中，時(shí)效強(qiáng)化是最主要的強(qiáng)化方式。稀土鎂合金在進(jìn)行固溶處理之后，得到均勻分布的過(guò)飽和固溶體，以保證在隨后的時(shí)效析出過(guò)程中能夠析出彌散均勻分布的時(shí)效相，顯示出優(yōu)良的時(shí)效強(qiáng)化效果，進(jìn)一步改善合金的性能。同時(shí)，含RE的析出相通常具有較高的熱穩(wěn)定性，且RE元素在鎂基體中的擴(kuò)散速率較慢，使得Mg-RE合金具有較高的高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的抗蠕變性能。

2 高性能稀土鎂合金的研究進(jìn)展

2.1 高強(qiáng)稀土鎂合金

目前研究得最多的高強(qiáng)稀土鎂合金包括Mg-Y,Mg-Gd，Mg-Gd-Y,Mg-Gd-Y-Zn系列稀土鎂合金等，這里以Mg-Gd系列稀土鎂合金為例。Gd是重稀土元素，在鎂合金中具有很高的平衡固溶度，在821K時(shí)，Gd在鎂合金中的平衡固溶度為4.53 at.%(23.49 wt.%)，隨著溫度的降低，固溶度急劇下降，在473K時(shí)，固溶度下降到0.61 at.%(3.82 wt.%)。因此，Gd在鎂合金中具有很好的時(shí)效強(qiáng)化作用，可以顯著提高合金的力學(xué)性能。通常在Mg-Gd合金中會(huì)加入少量的Zn來(lái)提高硬化效應(yīng)，從而提高強(qiáng)度。劉勇等研究了Mg-Zn-Gd合金的顯微組織和力學(xué)性能。研究認(rèn)為，根據(jù)Zn/Gd質(zhì)量比的不同，Mg-Zn-Gd合金的鑄態(tài)組織中會(huì)出現(xiàn)三種不同第二相，分別為I相（Mg3Zn6Gd）、W相（Mg3Zn3Gd2）和X相（Mg12ZnGd）。I相為二十面體準(zhǔn)晶相，可以作為在鎂合金塑性加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核基底，促進(jìn)形核，提高塑性。同時(shí)，I相的高熱穩(wěn)定性能夠有效的抑制晶界的遷移，阻礙位錯(cuò)擴(kuò)展，使合金在提高塑性的同時(shí)保證合金還具有一定的強(qiáng)度。W相為FCC結(jié)構(gòu)，屬于脆性相，熱穩(wěn)定性高，能有效阻礙位錯(cuò)的和晶界的移動(dòng)，是一種強(qiáng)化相，但是它與基體界面不共格，W相的增加，會(huì)降低合金的綜合力學(xué)性能。X相具有長(zhǎng)周期堆垛結(jié)構(gòu)，主要包括14H和18R兩種。LPSO相不是合金中的主要析出強(qiáng)化相，但它在強(qiáng)烈釘扎晶界的同時(shí)能允許基面滑移通過(guò)，從而保證了合金的高強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性。

2.2 耐熱稀土鎂合金

耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的原因之一，當(dāng)溫度升高時(shí)，它的強(qiáng)度和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)廣泛應(yīng)用。Mg-RE系合金是重要的耐熱合金系，在200℃～300℃具有良好的抗蠕變性能。鎂與大多數(shù)單種稀土元素或混合稀土元素（Ce或Nd）均可以形成固溶體，而且在相圖富鎂端具有簡(jiǎn)單共晶特征。稀土在鎂中的溶解度隨稀土原子半徑的增大而降低，比如Y，Gd等稀土原隨在鎂合金中具有較高的平衡固溶度，時(shí)效后能夠得到彌散均勻分布的時(shí)效相。由于時(shí)效時(shí)晶內(nèi)析出細(xì)小的沉淀相和時(shí)效析出相作用，阻礙了晶界滑動(dòng)而使Mg-RE合金具有良好的抗蠕變性能。隨著稀土元素在鎂中溶解度的增大，稀土元素對(duì)改善合金常溫機(jī)械性能和高溫性能的作用也隨之提高。

Y是一種重要的稀土元素，在鎂合金中具有較大的固溶度，既可以實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化，又可以通過(guò)Mg-Y第二相阻礙晶界的擴(kuò)散來(lái)提高鎂合金的高溫蠕變性能。目前已開發(fā)的Mg-RE(WE)基耐熱鎂合金是目前應(yīng)用最為廣泛的耐熱稀土鎂合金，比如WE54（Mg-5.1%Y-3.3%RE-0.5%Zr）和WE43(Mg-4.0%Y-3.3%RE-0.5%Zr)。

2.3 耐蝕稀土鎂合金

由于RE元素與氧的親和力強(qiáng)，腐蝕內(nèi)層將形成一定量的氧化物RE2O3，這些氧化物的化學(xué)活性相對(duì)較低，對(duì)腐蝕介質(zhì)不敏感，且附著性好，可以起到鈍化作用同時(shí)，RE元素與其它合金元素形成的第二相具有較弱的陰極性，減弱了合金在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中的陰極極化行為。另一方面，RE元素還可以使合金的自腐蝕電位降低，腐蝕電流減小，極化電阻增加，容抗減小，析氫過(guò)程變困難，使得鎂合金的耐蝕性得到提高。

3 高性能稀土鎂合金的應(yīng)用和存在的問(wèn)題

3.1 稀土鎂合金在電子通訊中的應(yīng)用

隨著人們對(duì)移動(dòng)設(shè)備輕量化的迫切需求，稀土鎂合金在電子通訊工業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，有著很好的發(fā)展前景。比如手機(jī)，筆記本電腦，相機(jī)等可以隨身攜帶的電子產(chǎn)品，使用稀土鎂合金不僅可以減輕它們的重量便于攜帶，還能保持較高的強(qiáng)度和較好的散熱效果，這是稀土鎂合金相對(duì)與其它材料來(lái)說(shuō)的一大優(yōu)勢(shì)。此外，稀土鎂合金還可以用于雷達(dá)天線、衛(wèi)星的支架橫梁、投影儀等電子產(chǎn)品中。

3.2 稀土鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

汽車工業(yè)是使用稀土鎂合金最廣泛的領(lǐng)域之一，隨著時(shí)代的進(jìn)步，汽車工業(yè)正朝著環(huán)保、低能耗、低污染的方向發(fā)展。和其它金屬材料相比，稀土鎂合金可以大大減輕汽車的重量，減少污染，提高燃油效益。目前，在汽車上使用鎂合金最多的就是方向盤，基本上已經(jīng)全部代替了其它金屬材料。對(duì)于汽車的其他構(gòu)件，比如說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體，變速箱殼，氣缸蓋等耐熱要求較高的零部件，開發(fā)耐熱稀土鎂合金越來(lái)越受到人們的重視。

3.3 稀土鎂合金在航空航天中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域不僅需要輕量化，還需要保證合金的高溫力學(xué)性能，這使稀土鎂合金在該領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步加強(qiáng)。WE43、WE54被廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱和直升機(jī)變速系統(tǒng)中。此外，EQ、EZ系列合金也廣泛應(yīng)用于飛機(jī)部件，如座椅、踏板、輪子等。

3.4 稀土鎂合金存在的問(wèn)題

目前，稀土鎂合金的進(jìn)一步發(fā)展所面臨的主要問(wèn)題有：鎂合金的室溫強(qiáng)度及塑性較低，需要進(jìn)一步提高；為了擴(kuò)大稀土鎂合金的應(yīng)用需要提高其耐熱性和高溫抗蠕變性能；提高其耐腐蝕性等。雖然目前已經(jīng)在這些方面專家學(xué)者們已經(jīng)做了很多工作來(lái)解決這些問(wèn)題，但是目前的作用機(jī)理和加工性能尚不成熟，對(duì)于工業(yè)上對(duì)鎂合金的大量需求來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所以，為了進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，解決這些問(wèn)題尤為關(guān)鍵。