Y在镁合金中的应用及研究进展

邵 俊

（台州科技职业学院，浙江 台州 318020）

最轻的结构金属材料之一镁合金，具有高比强度、比刚度，尺寸稳定性好，能够承受较大程度的冲击，减震性能良好；易于回收等特点，被誉为“21世纪绿色金属结构工程材料”[1]。在机械化工，航空航天，汽车、电子产品等领域具有远大的发展前景。但是，由于镁合金在耐腐蚀性和加工成形性能方面较为不理想，而且镁合金的弹性模数低、抗蠕变性能差，凝固时收缩率高和在高温下强度不够等缺点都会限制镁合金的使用范围。曾经，国际镁合金协会指出：当下，研究开发具有高性能的新型变形镁合金，进而生产出质量高、能达到使用工艺要求的新型变形镁合金是最重要、最具挑战性的目标和计划。研究表明，稀土的结构形式与Mg的结构形式都是密排六方结构，晶格类型相似。稀土作为微量元素、通过固溶于α-Mg中，引起晶格畸变等一系列的强化方式来改善镁合金的微观组织，细化晶粒以及提高镁合金的强度、硬度使镁合金的应用扩大化。由以上可知，稀土对于镁合金是一种优良的增强元素。正是基于稀土Y在镁合金中的应用优势及开发前景，国内外围绕稀土Y对现有镁合金显微组织以及力学性能的影响开展了大量的研究，并取得了一些积极的成果[2,3]。

1 稀土Y对现有镁合金组织性能的影响

研究者们围绕着稀土Y对AZ91，AM60，ZK60，AZ8O-2Sn,Mg-Al系镁合金等一系列常见镁合金显微组织和力学性能都开展了系统的研究，并取得了显著的效果。

谢飞等[4]发现在铸造Mg-Al-Ca-Ti合金中加入低含量的稀土Y后对其进行固溶和时效处理.结果表明：随着稀土元素由0%-0.5%-1%的含量增加下，铸态显微组织可以观察到分布于晶界的颗粒相，且分布均匀，加入微量稀土Y后生成了新的Mg2Ca与YAl3相，合金硬度显著提高。经过430℃固溶处理后颗粒相减少，但是，在250℃×50h时效处理后颗粒相重新析出，但效果不显著。说明了稀土Y对具有很强的稳定β相等析出相的作用。

宋波等[5]研究了以Mg-Y中间合金的形式加入稀土Y在固溶处理后对AM60铸造镁合金的显微组织影响和力学性能测试的影响。形成的稀土相的A12Y在固溶处理时保持着较高的热稳定性，且在合金中分布均匀，有利于提高合金的伸长率等性能，但是其屈服强度有一定的下降。对其断裂形态分析发现稀土的加入明显提高了材料的塑性。

刘敏丽等[6]研究了稀土Y在对AZ91镁合金盐雾腐蚀实验后，通过光学显微镜观察组织结构，以及采用XRD进行物相分析。结果分析表明，稀土Y的加入细化了镁合金的内部组织，在晶界上产生了针状的Al4MgY相，随着Y的含量增加到0.89%时，组织均匀细小，结构最为稳定；材料表面膜的组成成分、稳定性和均匀性决定了材料的耐蚀性。稀土的加入降低了镁合金的平均腐蚀速率；又因在腐蚀进行时，稀土元素Y的加入，导致Mg17Al12相显著提高，加强了组织均匀的特性，从而可以提高AZ91的耐蚀性。同时，彭建[7]等调查了稀土Y对低锌的镁锌锆系合金铸态组织结构的影响以及力学性能的变化机制，了解稀土Y对低锌锆系合金综合性能最优化具体成分含量。还调查了均匀化退火Mg-2.0Zn-0.3Zr合金组织结构、热变形抗力以及件的性能对比。

分析结果得到：随着稀土Y含量从0%增加到3.7%时，合金的抗拉强度及屈服强度达到了最大值，随着稀土Y从0%增加到1.9%时，合金的延伸率有所下降，当Y含量达到3.7%时延伸率有所升高。当Y含量达到超过3.7%达到5.8%时，合金的抗拉强度和屈服强降低，延伸率下降。因此，当Y含量为3.7%时，合金的强度和塑性均具有良好塑性和强度。对比不同稀土含量的热挤压后合金的断层扫描分析得出：当稀土含量存在3.7%时，合金组织中的Mg3Y2Zn3和Mg12YZn相，在热挤压过程中提供了比无稀土含量合金更多的可形核位置，提高了合金的形核率。

同时，在高温下，第二相颗粒会对再结晶后的新晶粒晶界起到阻碍作用，抑制了晶粒的长大，导致了含Y为3.7%时的Mg-2.0Zn-0.3Zr合金组织细化且均匀，同时提高了合金的强度和塑性。

2 稀土Y对挤压态及变形镁合金的影响

薛寒松[8]等研究了稀土Y对挤压态AZ80-2Sn镁合金组织和性能的影响，并分析其原因。铸态AZ80-2Sn镁合金在添加了Y元素后，通过XRD和EDS能谱分析，发现稀土与合金产生了新的Al2Y相。挤压态合金随着稀土含量的增加，晶粒细小均匀，在稀土加入量为0.5%时，晶粒尺寸最小为20μm左右。原因为：第一，稀土Y由对合金起到成分过冷的作用，细化铸态组织。第二，Al2Y相热稳定性好，经过挤压后该相会引起部分破碎。再结晶时，Al2Y相减缓了晶界或亚晶界的迁移速度；再者，Al2Y相周围组织在挤压时会产生严重畸变，引起了位错密度和相对大的晶界取向差。而且，畸变区域会成为再结晶的核心，增大了形核率。在稀土加入量为0.5%时，AZ80-2Sn合金的抗拉强度和伸长率都达到最大值，分别为368.1 MPa和12.9%，同时合金的屈服强度也提高到241.3 MPa。与未添加稀土的合金相比，稀土合金组织细小均匀而且Al2Y相阻碍了合金的位错运动，综合力学性能提升明显。

陶国林[9]等对ZK60变形镁合金挤压态和热处理的试样进行了微观组织分析与力学性能测试，研究影响因数与机理。在合金由液相凝固成固相的过程中，稀土Y的加入，使组织中的凝结核数量增多，促使合金组织细化，晶粒变小。同时，在变形镁合金ZK60中稀土Y添加量达到0.94%时，变形镁合金ZK60的抗拉强度出现极大值338.5 MPa。其原因在于：稀土元素Y对ZK60变形镁合金起到了变质的作用，在挤压工艺后，合金组织结构内产生弥散的细小Y-Zn和Mg-Y相，可以有效地阻止位错运动，使合金强度提高。

3 结语

稀土Y元素加入镁合金后，对于提高镁合金的使用范围有极大的积极研究意义。目前国内外对于Y对镁合金的影响因数分析都做了大量的探讨与实验，但是，总体来说，现有的Y-镁合金的稀土加入量及作用机理不具有普适性。为获得镁合金在各行各业的广泛应用，含Y镁合金的研究发展还需进行深入的研究，从而推动其在不同领域的应用。