高性能稀土镁合金研究与应用进展

董天宇

（河北省特种设备监督检验研究院廊坊分院，河北 廊坊 065000）

镁作为最重要的轻金属元素之一，它的密度只有1.74g/cm3，大约是锌合金的1/3，铝合金的2/3，钢铁的1/4。与其他金属结构材料相比，镁合金具有密度低，比强度、比刚度高，减震性能好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定，资源丰富，铸造性能、阻尼性能、切削加工性能好以及容易回收，对环境无污染等一系列优点，被誉为是“21世纪绿色环保工程材料”[1，2]。因此镁合金的应用和发展也受到人们的广泛关注。但是镁合金也有绝对强度低，高温下力学性能较差，室温变形加困难，易腐蚀等缺点[3，4]。所以，发展高性能镁合金也成为了镁合金研究领域的重要课题。

稀土镁合金是近年来材料领域的研究热点之一。大部分稀土元素在镁合金中的固溶度比较高，具有很强的固溶强化和析出强化作用，可以改善镁合金的高温力学性能和抗蠕变性能，同时有利于提高耐蚀性。此外，稀土元素可以降低镁在液态和固态的氧化倾向，具有除氢脱氧等作用，使稀土镁合金具有良好的耐热性和耐蚀性[5]。目前应用得比较广泛的稀土元素有La、Ce、Pr、Nd、Y、和Gd等，可以形成二元稀土镁合金，也可以添加非稀土元素组成三元或多元稀土镁合金体系。主要为了提高镁合金的综合性能，扩大镁合金在工业上的进一步应用。本文总结了稀土元素在镁合金中的作用，主要介绍了高强稀土镁合金、耐蚀稀土镁合金、耐热稀土镁合金的研究进展，并简述了高性能稀土镁合金在工业上的应用状况。

1 稀土元素在镁合金中的作用

稀土是中国的富有资源，同时也是镁合金中的重要元素。稀土元素可降低镁在液态和固态的氧化倾向，显著提高镁合金的耐热性，细化晶粒，减少显微疏松和热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能，提高力学性能，一般无应力腐蚀倾向，其耐蚀性优于其他镁合金[6-8]。主要原因在于稀土元素由于具有：①对炭、氮、氧、硫的其它夹杂元素的高度亲合力；②大的原子尺寸(1.73-2.04A，比铁的原子半径1.24A大)，有利于晶粒细化；③蒸气压低；④有形成合金的能力等特点，稀土元素与镁在富镁端形成金属间化合物(共晶或包晶)，与此同时，还可以降低碳、氮、氧、硫等有害杂质的影响，减少气孔、降低气孔率，对镁合金具有很好的熔体净化作用，提高铸态合金的质量[5]。

大部分稀土元素在镁合金中具有较大的平衡固溶度，具有优良的固溶强化和时效强化作用。应用比较广泛的稀土元素有La、Ce、Pr、Nd、Y、和Gd等。稀土元素加入到镁合金中后，部分稀土元素会与镁形成Mg-RE第二相化合物，另外一部分稀土元素会溶入到镁基体中，形成置换固溶体，造成固溶体局部晶格畸变，从而改变合金的力学性能。此外，部分稀土元素在镁合金中具有较高的平衡固溶度，且随着温度的降低看，固溶度显著减小，因此，稀土元素在镁合金中具有明显的时效强化作用。通过加入稀土元素提高镁合金力学性能的强化方式有很多，包括：固溶强化，细晶强化，时效强化，弥散强化等。在这些强化方式中，时效强化是最主要的强化方式。稀土镁合金在进行固溶处理之后，得到均匀分布的过饱和固溶体，以保证在随后的时效析出过程中能够析出弥散均匀分布的时效相，显示出优良的时效强化效果，进一步改善合金的性能。同时，含RE的析出相通常具有较高的热稳定性，且RE元素在镁基体中的扩散速率较慢，使得Mg-RE合金具有较高的高温强度和优良的抗蠕变性能。

2 高性能稀土镁合金的研究进展

2.1 高强稀土镁合金

目前研究得最多的高强稀土镁合金包括Mg-Y,Mg-Gd，Mg-Gd-Y,Mg-Gd-Y-Zn系列稀土镁合金等，这里以Mg-Gd系列稀土镁合金为例。Gd是重稀土元素，在镁合金中具有很高的平衡固溶度，在821K时，Gd在镁合金中的平衡固溶度为4.53 at.%(23.49 wt.%)，随着温度的降低，固溶度急剧下降，在473K时，固溶度下降到0.61 at.%(3.82 wt.%)。因此，Gd在镁合金中具有很好的时效强化作用，可以显著提高合金的力学性能。通常在Mg-Gd合金中会加入少量的Zn来提高硬化效应，从而提高强度。刘勇等研究了Mg-Zn-Gd合金的显微组织和力学性能。研究认为，根据Zn/Gd质量比的不同，Mg-Zn-Gd合金的铸态组织中会出现三种不同第二相，分别为I相（Mg3Zn6Gd）、W相（Mg3Zn3Gd2）和X相（Mg12ZnGd）。I相为二十面体准晶相，可以作为在镁合金塑性加工过程中动态再结晶的形核基底，促进形核，提高塑性。同时，I相的高热稳定性能够有效的抑制晶界的迁移，阻碍位错扩展，使合金在提高塑性的同时保证合金还具有一定的强度。W相为FCC结构，属于脆性相，热稳定性高，能有效阻碍位错的和晶界的移动，是一种强化相，但是它与基体界面不共格，W相的增加，会降低合金的综合力学性能。X相具有长周期堆垛结构，主要包括14H和18R两种。LPSO相不是合金中的主要析出强化相，但它在强烈钉扎晶界的同时能允许基面滑移通过，从而保证了合金的高强度和优良的塑性。

2.2 耐热稀土镁合金

耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的原因之一，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以在实际的工业生产广泛应用。Mg-RE系合金是重要的耐热合金系，在200℃～300℃具有良好的抗蠕变性能。镁与大多数单种稀土元素或混合稀土元素（Ce或Nd）均可以形成固溶体，而且在相图富镁端具有简单共晶特征。稀土在镁中的溶解度随稀土原子半径的增大而降低，比如Y，Gd等稀土原随在镁合金中具有较高的平衡固溶度，时效后能够得到弥散均匀分布的时效相。由于时效时晶内析出细小的沉淀相和时效析出相作用，阻碍了晶界滑动而使Mg-RE合金具有良好的抗蠕变性能。随着稀土元素在镁中溶解度的增大，稀土元素对改善合金常温机械性能和高温性能的作用也随之提高。

Y是一种重要的稀土元素，在镁合金中具有较大的固溶度，既可以实现固溶强化，又可以通过Mg-Y第二相阻碍晶界的扩散来提高镁合金的高温蠕变性能。目前已开发的Mg-RE(WE)基耐热镁合金是目前应用最为广泛的耐热稀土镁合金，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 耐蚀稀土镁合金

由于RE元素与氧的亲和力强，腐蚀内层将形成一定量的氧化物RE2O3，这些氧化物的化学活性相对较低，对腐蚀介质不敏感，且附着性好，可以起到钝化作用同时，RE元素与其它合金元素形成的第二相具有较弱的阴极性，减弱了合金在电化学腐蚀过程中的阴极极化行为。另一方面，RE元素还可以使合金的自腐蚀电位降低，腐蚀电流减小，极化电阻增加，容抗减小，析氢过程变困难，使得镁合金的耐蚀性得到提高。

3 高性能稀土镁合金的应用和存在的问题

3.1 稀土镁合金在电子通讯中的应用

随着人们对移动设备轻量化的迫切需求，稀土镁合金在电子通讯工业中应用越来越广泛，有着很好的发展前景。比如手机，笔记本电脑，相机等可以随身携带的电子产品，使用稀土镁合金不仅可以减轻它们的重量便于携带，还能保持较高的强度和较好的散热效果，这是稀土镁合金相对与其它材料来说的一大优势。此外，稀土镁合金还可以用于雷达天线、卫星的支架横梁、投影仪等电子产品中。

3.2 稀土镁合金在汽车工业中的应用

汽车工业是使用稀土镁合金最广泛的领域之一，随着时代的进步，汽车工业正朝着环保、低能耗、低污染的方向发展。和其它金属材料相比，稀土镁合金可以大大减轻汽车的重量，减少污染，提高燃油效益。目前，在汽车上使用镁合金最多的就是方向盘，基本上已经全部代替了其它金属材料。对于汽车的其他构件，比如说发动机箱体，变速箱壳，气缸盖等耐热要求较高的零部件，开发耐热稀土镁合金越来越受到人们的重视。

3.3 稀土镁合金在航空航天中的应用

在航空航天领域不仅需要轻量化，还需要保证合金的高温力学性能，这使稀土镁合金在该领域的应用进一步加强。WE43、WE54被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机变速系统中。此外，EQ、EZ系列合金也广泛应用于飞机部件，如座椅、踏板、轮子等。

3.4 稀土镁合金存在的问题

目前，稀土镁合金的进一步发展所面临的主要问题有：镁合金的室温强度及塑性较低，需要进一步提高；为了扩大稀土镁合金的应用需要提高其耐热性和高温抗蠕变性能；提高其耐腐蚀性等。虽然目前已经在这些方面专家学者们已经做了很多工作来解决这些问题，但是目前的作用机理和加工性能尚不成熟，对于工业上对镁合金的大量需求来说远远不够。所以，为了进一步扩大镁合金在工业生产中的应用，解决这些问题尤为关键。