作者：张毅
研究发现，稀土在镁合金熔炼过程中可以除气除杂，能净化合金液，增加合金液的流动性，有效降低产生缩孔、热裂的倾向，获得致密的铸态组织，并细化晶粒，提高塑性、韧性以及抗高温蠕变性能。通过研究稀土元素对镁合金晶粒细化的作用，发现稀土元素可以提高镁合金熔液的电子浓度，增加镁原子之间的结合力，减缓镁原子的扩散速度，使得稀土镁合金的铸态组织晶粒细化。此外，稀土可优先与Al形成熔点高、热稳定性好的第二相，有利于提高镁合金的抗高温蠕变性能和耐蚀性。
本课题研究了G d和Y对AM60镁合金高温力学性能的影响，并通过成分优化和T4处理，以提高130℃下稀土镁合金(RE-AM60)的抗拉强度。
1 试验方法
以AM60镁合金为基体，在实际生产条件下熔化并加入Mg-20Gd、Mg-30Y中间合金，按照国标压铸制成AM60-RE标准拉伸试样。AM60-RE成分见表1。
高温拉伸试验在配有高温加热炉的RGM-50万能试验机上进行，温控范围：室温~400 ℃，误差为±2℃。加热至130℃，保温15 min，应变速率为0.001 S-1。
热处理采用T4处理，升温至360℃，保温16 h后水淬。金相采用采用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀，在莱卡DMI5000M金相显微镜下观察合金的显微组织。
2 Y、G d对合金高温力学性能分析
图1是RE含量与合金抗拉强度，伸长率的关系。图1a为铸态试样中（F态）RE含量与抗拉强度、伸长率的关系。可以看出，添加稀土(G d、Y)能够提高AM60-RE合金的高温抗拉强度和伸长率。RE含量为1.9%～2.2%时抗拉强度最高达到227 M Pa，伸长率达到20%，与未加入稀土的AM60相比，高温抗拉强度提高了约12. 4%，伸长率提高了100%。
图1b为T4态合金中RE含量与抗拉强度、伸长率的关系。可以看出，在RE含量较低时，随着RE含量的增加，RE-AM60镁合金的抗拉强度和伸长率增加。当RE含量为1.2%左右时，抗拉强度达到236 M Pa，伸长率为25%，与未加入稀土的AM60合金相比，高温抗拉强度提高了约13. 5%，伸长率提高了78.6%；随后，随着稀土含量的增加，抗拉强度和伸长率出现一定程度的降低。伸长率的提高，表明AM60镁合金塑性变形能力的增强。图1中伸长率提高的主要原因是G d、Y可以细化晶粒，G d、Y与Al形成的新析出相从晶界大量析出，减少了B相的不利影响，抑制晶粒长大。
晶粒越细，在外力作用下，越有利于位错滑移和能参与滑移的晶粒数目越多。在130℃时，由于一定的变形量会由更多的晶粒分散承担，不会造成局部应力集中，从而推迟裂纹的产生，即使发生较大程度的塑性变形，也不会断裂，因此塑性得到提高。
在稀土总含量为2. 2%时，此时Y含量达到了0. 8%。Y对AM60镁合金的细晶强化作用显著，是由于有大量的Al2Y化合物在镁完成结晶之前，率先从晶界析出。因此不仅减少了B相的形成，而且由于Al2Y稳定存在，减缓镁原子的扩散速度，抑制晶粒长大。此时1. 4%的G d同样对AM60镁合金产生细晶强化作用。G d和Y配合，细化晶粒的作用显著，所以此时的塑性最好。
而当RE元素总含量为2.5%时，由于RE含量过高，容易形成粗大的析出相。而且析出相的形貌呈现出杆状或针状，会割裂基体的连续性，并造成应力集中。另外，块状或点状的析出相也会聚集成团，弥散分布的形式较少，能参与滑移的晶粒数目减少。又由于 应力集中很容易产生裂纹，裂纹继续扩展，随即断裂。 因此，稀土含量达到2. 5%时相对于2.2%时伸长率发生较大幅度的下降。
图2为T4处理对含稀土的AM60合金高温力学 性能的影响。对于未加入RE的AM60，在T4处理后抗拉强度仅提高了约3%。说明T4处理后，合金元素充分溶解，产生了一定的固溶强化。但是由于非稀土元素与镁形成的金属化合物熔点较低，在1300C时容易软化、粗化，无法像室温时一样起到十分显著的第二相强化的作，不能有效减轻AM60镁基体的软化，所以130℃时，固溶强化作用不明显。
经T4处理后，RE-AM60镁合金高温拉伸强度均有提高，RE含量为0.4%时，抗拉强度提高了15%。在T4处理过程中，稀土G d和Y充分溶解于镁基体中，对AM60镁合金的固溶强化作用显著。在130 0C时，有效减轻镁基体的软化，提高强度。部分G d和Y与Al形成金属化合物，可以减少Mg17Al12相的形成及减轻该相对基体的割裂作用，减轻Mg17Al12在130℃的软化、粗化，发挥其第二相强化的作用。稀土化合物数量虽少，但高温化学性质稳定，与含量较多非稀土化合物共同起到强化作用，从而提高AM60镁合金在130℃时的抗拉强度。
3 Y、G d对AM60微观组织昀影响
图3为不同状态AM60镁合金的显微组织。通过成分分析发现，白色基体为a-Mg相，黑灰色网状为B-Mg17Al12相。显微组织中，晶粒较大，黑色网状的第二相相互缠绕，呈网状分布。白色基体中存在一些黑色块状的化合物，但数量较少，为合金元素与M n或Al结合形成的金属化合物，如Al2Mn。整体显微组织不够均匀，晶粒大小差异较大。
经过T4处理的试样，AM60镁合金的显微组织明显均匀，这主要是由于360℃保温16 h使合金元素充分溶解，镁原子充分扩散，晶粒长大的程度基本相同。相互缠绕交织的黑色网状明显断裂，呈条状，数量显著减少，零散地分布在镁合金基体上。
图4是添加不同G d后AM60镁合金的显微组织。可以看出，加入G d后，白色基体仍为a-Mg基体，网状化合物既有原来的B-Mg17Al12相，也有Mg或Al与稀土G d形成的化合物。当G d含量较低时，随着G d含量的增加，晶粒形状越来越规则并且细化。AM60中黑灰色的粗大的B-Mg17Al12相，由相互缠绕的骨骼状开始逐渐分离开，并且呈现断网的趋势。同时，由于G d与Al的电位差大于与Mg的电位差，因此会优先形成Al2Gd。Al2Gd，具有较好的热稳定性，在高温时仍能保持稳定的化学性能。
结合图1知G d含量超过1.2%时，合金的抗拉强度降低，其原因很可能是由于过量的G d形成了粗大的第二相，降低了AM60镁合金的高温抗拉强度。为保持AM60-RE合金的热稳定性，通过添加可细化晶粒的稀土Y来改善G d对AM60镁合金的作用。
图5为加入G d、Y混合稀土后AM60镁合金的显微组织。当加入0. 5%的Y+1.4%的G d，即RE总含量约为2%时，可以看到AM60的显微组织十分均匀，晶粒大小相差不大，粗大的网状灰色相明显出现断网，而且变得较细。而加入0. 8%的Y+1.4%的G d时，虽然网状的第二相也出现断网，但此时晶粒粗大，大小不均匀。同时出现很多黑色块状析出相，聚集在晶界处，这些析出相大小不一，有些聚集成团簇状。
对比图3可知，对于加入单一稀土G d的试样而言，当加入1. 0%的G d时，显微组织最为均匀细密。而加入Y和G d后，显微组织明显比加入单一 G d时均匀。单独添加1. 4%的G d，由于G d含量较高而产生粗大的第二相，而加入Y后，即使此时G d的含量较高，晶粒依旧比较细小均匀。这说明，Y对AM60镁合金细化晶粒的作用较为显著，混合稀土Y、G d对AM60显微组织的改善作用较好。
加入Y和G d的AM60中有两种沉淀相析出，分别是Al2Y、Al2Gd。这两种沉淀相从晶界析出，高温化学性质稳定，第二相强化作用显著，而且细小弥散分布于Mg基体中又起到了弥散强化的作用，另一方面由于与Mg结合，会降低Mg含量，抑制晶粒长大，起到了细晶强化的作用。
因此，合适含量的G d +Y相互配合起到的固溶强化、细晶强化、第二相强化综合作用提高了AM60合金的高温抗拉强度。在130℃时，固溶强化有效减少AM60镁合金基体的软化。细晶强化减少130℃时的晶粒粗化程度，使得AM60镁合金在130℃时的显微组织较未加入稀土时均匀，可有效提高强度。新析出的稀土化合物，一方面减少Mg17Al12的形成，同时改变其形貌，减少在130 0C时Mg17Al12的粗化，消除Mg17Al12对AM60镁合金基体的割裂和应力集中，从而有效减轻裂纹的形成；另一方面，Al2Y、Al2 G d相高温化学性质稳定，熔点高、硬度高，130℃时不易软化、粗化，成为强化相。这些因素综合作用，(0.5%～0.8%)Y+1.4%的G d的AM60镁合金的强度比未加入稀土时大幅度提高。
4 结 论
添加稀土G d、Y并进行T4处理可显著提高AM60合金的高温抗拉强度。G d在镁中的溶解度较大，RE含量为1.9%～2.2%的铸态AM60合金在130℃条件下抗拉强度可达到227 M Pa，比未添加稀土时提高了12. 4%。
5摘要在AM60镁合金中添加不同含量的稀土元素G d和Y，形成AM60-RE，并进行T4处理。通过高温拉伸力学试验测定合金的抗拉强度和伸长率。结合金相显微组织观察表明，土元素Y和G d能够通过固溶强化作用减少AM60镁合金在高温拉伸时的软化，并且通过第二相强化减少Mg17AI12相数量以及在130℃时的软化、粗化，改变其形貌；同时Y、G d与
M g. Al形成的高熔点化合物在130℃时能强化AM60镁合金基体。添加Y和G d的RE-AM60镁合金在130 ℃下，铸态抗拉强度可达227 M Pa，T4处理后达到236 M Pa，与未添加稀土的AM60相比，铸态抗拉强度提高了12.4%，T4态抗拉强度提高了13.5%。
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