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蘇再軍1.2  黃艷香1  劉楚明2  楊新華1

（1．贛州有色冶金研究所；2．中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

摘  要綜述了國(guó)內(nèi)外常用Mg-AI-RE系、MgZn-RE系和MgRE系3類鑄造稀土鎂合金的基本特性、力學(xué)性能及其研究現(xiàn)狀。闡述了鑄造鎂合金加入稀土的強(qiáng)化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)單一加入少量稀土元素，對(duì)稀土鎂合金的組織和力學(xué)影響有限，采用復(fù)合添加更有效果。并對(duì)鑄造稀土鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)要的論述。

關(guān)鍵詞鑄造鎂合金；稀土元素；合金化；綜述 

中圖分類號(hào)  TGl46.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼  A DOI：10.  15980/j．tzzz.  2015.  10.  012

Progress in RE-containing Cast Magnesium Alloys

Su 2aijunl'2, Huang Yanxiangl, Liu Chuming2 ,Yang×inhual

(1. Non-Ferrous Metallurgy Research Institute of Ganzhou;

2. School of Materials Science and Engineering, Central South University)

Abstract:The characteristics,  mechanical properties and current  status of cast magnesium alloy contai-ning RE elements at home and abroad were reviewed. The strengthening mechanism of cast magnesium alloy containing RE elements was described, and development future of magnesium alloy containing RE elements was discussed briefly.

Key Words: Cast Magnesium Alloy, Rare Earth, Alloying, Review

  鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、鑄造性能好、比強(qiáng)度和比剛度高、可回收性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、電子通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，由于鎂合金塑性加工困難，鎂合金產(chǎn)品主要以壓鑄為主。然而與鑄造鋁合金相比，常規(guī)鑄造鎂合金的力學(xué)性能及耐熱性能偏低，從而限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。通過(guò)在鑄造鎂合金中添加稀土可以顯著提高合金的力學(xué)性能及耐熱性能，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。因此，本課題主要對(duì)鑄造稀土鎂合金的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。

1鑄造稀土鎂合金的研究現(xiàn)狀

 常用的鑄造稀土鎂合金可分為Mg-Al-RE系、Mg-Zn-RE系、Mg-RE系合金3類。近些年來(lái)，主要采用合金化方法來(lái)研究鑄造稀土鎂合金中的微觀組織及其對(duì)力學(xué)性能的影響。

1.1 Mg-AI-RE系

Mg-AI系合金是常用鑄造鎂合金。在Mg-Al系合金中，主要的強(qiáng)化相為低熔點(diǎn)Mg17A112相。當(dāng)使用溫度高于120℃時(shí)，Mg17 A112相會(huì)軟化，且晶界附近富A1的過(guò)飽和固溶體會(huì)發(fā)生p-Mg17 A112相的非連續(xù)析出，最終導(dǎo)致合金抗蠕變性能的迅速降低。因此，可以通過(guò)改變Mg17A112相的結(jié)構(gòu)和增添新的熱強(qiáng)相來(lái)提高合金的力學(xué)性能及耐熱性能。由于RE與Al之間可形成熱穩(wěn)定性高的金屬間化合物，并充分抑制Mg17 A112相的形成，因此，Mg-AI-RE合金具有較高的室溫、高溫力學(xué)性能和抗蠕變性能。CUI X P等研究了Pr對(duì)壓鑄AZ91合金組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入0.4%的Pr后，合金中出現(xiàn)了細(xì)小的針狀A(yù)111Pr3相和少量的A16 Mn6 Pr相。隨著Pr的增加，A111Pr3相增加并隨之粗化，A16 Mn6 Pr相數(shù)量急劇增加。AZ91-0. 8Pr合金具有較優(yōu)異的力學(xué)性能，其室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為228 MPa、137 MPa和6.8%。ARUN B等研究了Y對(duì)AZ91-Sb鑄造合金的高溫力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)在AZ91-o. 5Sb合金中加入0.6%的Y后，會(huì)有較好的常溫和高溫力學(xué)性能，在150℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為191 MPa、III MPa和13%。繼續(xù)增加Y的含量，會(huì)形成粗大的A12Y相，導(dǎo)致組織和成分的不均勻，使合金的力學(xué)性能降低。降低合金中的A1含量，可提高M(jìn)g-AI-RE合金的耐熱性能，因此開(kāi)發(fā)出一系列的AE系稀土鎂合金口]，如：AE21、AE41、AE42等。ZHANG J H等對(duì)壓鑄Mg-4AI-Ce合金的研究表明，加入4%～6%的Ce可顯著提高合金的高溫性能，尤其是在150～250℃時(shí)，屈服強(qiáng)度比Mg-4AI合金提高了近60%，其原因歸結(jié)于晶粒的細(xì)化及熱穩(wěn)定性好的M9i1 Ce3相的出現(xiàn)。添加單一稀土元素對(duì)合金的力學(xué)性能提高有限，而加人多種稀土元素時(shí)，由于多種稀土元素間的相互作用，可明顯改善合金的力學(xué)性能。WANG J等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)添加Y(0.9%)或Nd(0.9%)不能對(duì)Mg-4AI基合金起晶粒細(xì)化的作用，而復(fù)合添加等量的Y和Nd卻有非常好的細(xì)化晶粒作用，且復(fù)合添加0.9%的Y和o．9% Nd的Mg-4Al基合金擁有理想的力學(xué)性能和伸長(zhǎng)率，原因歸結(jié)為大量熱穩(wěn)定性好且彌散分布的第二相的析出。YANG Q等通過(guò)復(fù)合添加La、Sm提高壓鑄Mg-4AI合金的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在Mg-4AI-3La-2Sm合金中，發(fā)現(xiàn)了4種Al-( La，Sm)相，除了AE44合金中常見(jiàn)的塊狀A(yù)12( Sm，La)相和針狀A(yù)111(La，Sm)3相外，還出現(xiàn)了花瓣?duì)預(yù)111( La，Sr-r-i)。相和鐵錘狀A(yù)1) (Sm，La)相。其中，La富集在針狀A(yù)111 (La，Sm)。相中，而Sm則富集在其他3種相中。由于擁有更多的A12 (Sm，La)相及更細(xì)小的晶粒，在常溫下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為266 MPa、170 MPa和11.2%，200℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了134 MPa、109 MPa和24%。李克杰等研究了Sm對(duì)Mg-6Al-1. 2Y-O. 9Nd合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)在峰值時(shí)效條件下，加入0.5%的Sm時(shí)，合金具有最高的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度約為250 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)26%。少量Sm的加入改善了合金室溫拉伸性能，原因有二：一是Sm在鎂中有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，二是基體中形成了彌散分布的熱穩(wěn)定相(A12Y，A12 SrTi)和沉淀相Mg2 A13。上述合金的力學(xué)性能及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化相見(jiàn)表1。

1.2Mg-Zn-RE系

 Mg-Zn合金相比Mg-AI合金具有更高的屈服強(qiáng)度，但是，在Mg-Zn合金中，增加Zn含量會(huì)使合金在鑄造過(guò)程中出現(xiàn)熱裂傾向和顯微縮松，導(dǎo)致合金力學(xué)性能降低。稀土的加入，可以改善Mg-Zn合金的力學(xué)性能和抗蠕變性能，因此開(kāi)發(fā)出一系列的ZE系稀土鎂合金，如：ZE33、ZE41、ZE53等。YANG M B等通過(guò)對(duì)Mg-3. 82n-2. 2Ca-Gd合金的研究，發(fā)現(xiàn)少量Gd的加入可以顯著提高合金的力學(xué)性能和抗蠕變性能。加入1. 49%的Gd時(shí)，合金具有最優(yōu)的力學(xué)性能和抗蠕變性能。XU C X等研究Nd和Yb對(duì)Mg-5. 52n-0. 62r合金組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)Nd和Yb的加入能有效細(xì)化晶粒。經(jīng)固溶處理后，合金中形成的Mg-Zn-Yb球狀相含量隨Nd和Yb的增加而增加，合金的力學(xué)性能顯著提高。Mg-5. 52n-0. 62r-0. 2Nd-l.5Yb合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了255.6 MPa、163.6 MPa和17.4%。少量Y加入Mg-Zn合金中會(huì)形成W-Mg3 Y2Zn3相和準(zhǔn)晶I-Mg3 Y2n6相。一定含量的W相可以提高合金的力學(xué)性能，而I相為正二十面體準(zhǔn)晶相，這種結(jié)構(gòu)可顯著提高合金的力學(xué)性能。

1.3Mg-RE系

 由于單獨(dú)添加一種稀土元素對(duì)合金的力學(xué)性能提高有限，因此，Mg-RE系合金多為多元稀土合金化鎂合金。目前，Mg-RE系常用的鑄造合金主要有WE系和Mg-Gd-Y系合金。WE54合金為第一個(gè)在商業(yè)上應(yīng)用的含Y稀土鎂合金。但是，該合金在150℃以上長(zhǎng)期使用韌性會(huì)降低，因此，降低Y含量，同時(shí)增加Nd含量，開(kāi)發(fā)出了WE43鎂合金，NIE J F等、AN-TION C等對(duì)WE系合金的沉淀相進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在250℃峰值時(shí)效條件下，WE系合金同時(shí)存在著3種亞穩(wěn)相：β”、β’和β1相。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，β1在原位形成β相。XU L等對(duì)Mg-4. OY-2. 5Nd-0.7 Zr(WE43)合金的熱處理制度進(jìn)行了優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)788 K×4 h+498 K×12 h處理后，大量細(xì)小的∥7和盧7彌散分布在基體內(nèi)（見(jiàn)圖1），合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到了293 MPa、175 MPa和5.6%；并系

統(tǒng)研究了不同Zn含量(0～1.5%)對(duì)Mg-4. OY-2.4 Nd合金微觀組織及力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)在Mg-4.0 Y-2. 4Nd合金中加入0.2%的Zn時(shí)，具有最優(yōu)的力學(xué)性能，在225。C時(shí)效下，合金的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為330 MPa、265 MPa和6.5%。原因是具有縱橫比棱柱面的片狀β’相體積含量較高（見(jiàn)圖2）。

 近年來(lái)，Mg-Gd-Y系合金由于具有顯著的時(shí)效強(qiáng)化作用，已成為了新的研究熱點(diǎn)。JIANG L K等研究了不同Gd含量對(duì)Mg-Gd-Y-Zr合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)時(shí)效處理后，Gd含量從9%增加到11%，合金的共晶組織隨之增加，但合金的力學(xué)性能變化較小，都具有優(yōu)異的力學(xué)性能。其中Mg-10Gd-3Y-0. 52r合金的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為358 MPa，240 MPa和3.7%。ZHANG S等研究了固溶和時(shí)效處理對(duì)Mg-14Gd-3Y-I. 82n-0. 52r合金的組織演化和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著固溶時(shí)間延長(zhǎng)，合金的14H-LPSO結(jié)構(gòu)數(shù)量隨之增加，經(jīng)498 K×16 h的時(shí)效處理后，合金基體中彌散分布著大量的β’和β1，相。大量的14H-LPSO結(jié)構(gòu)及彌散分布的沉淀相使得合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了366 MPa、230 MPa和2.8%。

2鑄造稀土鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制

 目前，制約鑄造鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是其力學(xué)性能偏低。因此，研究人員對(duì)鑄造鎂合金的強(qiáng)化機(jī)理做了大量研究。根據(jù)鑄造鎂合金晶體內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶間塑性變形的特點(diǎn)，提高鑄造鎂合金的力學(xué)性能可以從以下幾個(gè)方面采取措施。

2.1  固溶強(qiáng)化

 半徑及彈性模量與基體不相同的溶質(zhì)原子溶入基體，基體的晶格會(huì)發(fā)生畸變，造成堆垛層錯(cuò)能降低、產(chǎn)生短程有序或其他溶質(zhì)原子偏聚，從而降低固溶體中元素的擴(kuò)散能力，提高再結(jié)晶溫度，使合金得到強(qiáng)化‘1]。根據(jù)H umc-Rothery固溶規(guī)則，只有溶質(zhì)與溶劑原子的半徑差值在15%之內(nèi)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生固溶體。在產(chǎn)生的固溶體中，溶質(zhì)與溶劑原子的半徑差值或彈性模量的差值越大，產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化作用就越好。稀土元素在鎂基體中的固溶度一般較大，能產(chǎn)生較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化。通過(guò)研究不同Y含量(O～6.0%)對(duì)固溶態(tài)Mg-2. 4Nd-0. 22n合金力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于元素Y在Mg基體中最大的固溶度為12.6%，且Y與Mg原子的錯(cuò)配度達(dá)到了12.5%，因此，在Mg-2. 4Nd-0. 22n合金中加入6．O%的Y時(shí)，固溶態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別提高了72 MPa和57 MPa。

2.2細(xì)晶強(qiáng)化

 細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)提高鎂合金強(qiáng)度、改善其塑性與韌性具有重要的意義。晶界能夠釘扎位錯(cuò)的滑移與運(yùn)動(dòng)，在晶界處產(chǎn)生的應(yīng)力集中可以激活更多的合金滑移系，從而使合金的整體塑性變形協(xié)調(diào)能力得到增強(qiáng)，隨之提高合金的強(qiáng)度和韌性。在一般情況下，合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系可由Hall-Petch關(guān)系式表示：

式中，σy為晶體材料的屈服強(qiáng)度；σ0為晶體材料的晶格間摩擦力；K為斜率（不同的合金材料K值不同）；d為晶粒尺寸。從式(l)中可以看出，合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸大小的平方根成反比。由于純鎂是密排六方結(jié)構(gòu)，晶體對(duì)稱性很低，其滑移系較少，因此它的K值要遠(yuǎn)大于體心立方和面心立方金屬（K≈280～320），所以晶粒細(xì)化后，鎂合金的力學(xué)性能會(huì)明顯地提高。加入稀土后，合金的細(xì)晶強(qiáng)化效果更為顯著。ZHANG J H等在Mg-4AI-O. 3Mn合金中加入0～6%的Ce，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸由18.5tim減少到8.5μm，見(jiàn)圖3。同時(shí)，合金的室溫抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別增加了36 MPa和41 MPa。

2.3沉淀強(qiáng)化

 沉淀強(qiáng)化又稱析出強(qiáng)化，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化的前提條件是：合金元素的固溶度隨溫度的下降迅速降低。將具有此特征的鎂合金在較高溫度下進(jìn)行固溶處理，得到過(guò)飽和固溶體，接著在較低溫度下進(jìn)行時(shí)效處理，析出相便會(huì)從過(guò)飽和固溶體中析出。如果這些沉淀相具有尺寸細(xì)小、分布均勻，與基體保持共格關(guān)系且隨溫度升高粗化不明顯等特點(diǎn)，合金便可產(chǎn)生較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用。其強(qiáng)化機(jī)理為：析出相能夠嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及滑移，從而提高合金的屈服強(qiáng)度。沉淀強(qiáng)化是稀土鎂合金最重要的強(qiáng)化機(jī)制。XU L等對(duì)Mg-4Y-2. 5Nd-0.7Zr(WE43)合金的沉淀強(qiáng)化作用進(jìn)行了半定量計(jì)算，結(jié)果表明由沉淀強(qiáng)化引起的合金屈服強(qiáng)度提高了36%。

2.4彌散強(qiáng)化

 彌散強(qiáng)化顆粒是合金在凝固過(guò)程中生成的，通常都具有較高的熔點(diǎn)和很低的溶解度。在室溫環(huán)境下，析出相與彌散強(qiáng)化顆粒都可阻礙位錯(cuò)的滑移和運(yùn)動(dòng)，使合金得到強(qiáng)化。但在高溫環(huán)境下，由于析出相不斷粗化、合并及軟化，最終導(dǎo)致析出相的強(qiáng)化效果顯著減弱；而彌散強(qiáng)化相在高溫時(shí)性能穩(wěn)定，能在合金變形時(shí)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此，合金在較高溫度時(shí)仍具有較好的力學(xué)性能。一般而言，等軸、細(xì)小且均勻分布于基體內(nèi)的彌散相具有較好的強(qiáng)化效果，這些彌散相顆粒具有極強(qiáng)的釘扎作用。在AZ系鎂合金中加入少量RE可形成熱穩(wěn)定性好的Al-RE彌散相，使得AZ系合金的力學(xué)性能及抗蠕變性能得到提高。

3  鑄造稀土鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)

 雖然鑄造稀土鎂合金的研究取得了很大的進(jìn)展，但到目前為止，鑄造稀土鎂合金的研究和應(yīng)用還有待于進(jìn)一步拓展。預(yù)計(jì)未來(lái)我國(guó)鑄造稀土鎂合金的發(fā)展主要集中在3個(gè)方面。

 (l)低成本鑄造稀土鎂合金的開(kāi)發(fā)  稀土價(jià)格昂貴而限制了其應(yīng)用，因此，加入價(jià)格低廉的合金化元素替代部分稀土元素成為必然的選擇。Zn價(jià)格低廉且具有很強(qiáng)的固溶和時(shí)效強(qiáng)化效果。此外，Zn還能與部分稀土元素作用生成長(zhǎng)周期有序結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)晶相，使稀土鑄造鎂合金擁有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐熱性能。因此，含Zn鑄造稀土鎂合金的開(kāi)發(fā)是一個(gè)研究的熱門(mén)方向。此外，價(jià)格低廉的堿土金屬與Ⅳ、V族元素與鎂形成高熔點(diǎn)化合物，可以提高合金的力學(xué)性能及耐熱性能，這也是低成本鑄造稀土鎂合金的發(fā)展方向。

 (2)多元稀土合金化鎂合金的開(kāi)發(fā)單獨(dú)添加一種稀土對(duì)合金的力學(xué)性能提高有限，加入多種稀土元素時(shí)，由于元素間的相互影響，不僅可以降低彼此在鎂基體中的固溶度，還可以提高合金的沉淀強(qiáng)化效果。因此，多元稀土合金化鎂合金的研究是提高合金力學(xué)性能的重要途徑。

 (3)稀土合金化的作用機(jī)制研究  目前，稀土對(duì)鎂合金顯微組織的影響及在鎂基體中的多元交互作用機(jī)制規(guī)律研究還不夠成熟，如：GP區(qū)的形成、沉淀析出行為、輕稀土與重稀土元素的交互作用等都有待進(jìn)一步深入研究。