铸造稀土镁合金的研究现状及发展趋势

苏再军1.2  黄艳香1  刘楚明2  杨新华1

（1．赣州有色冶金研究所；2．中南大学材料科学与工程学院）

摘  要综述了国内外常用Mg-AI-RE系、MgZn-RE系和MgRE系3类铸造稀土镁合金的基本特性、力学性能及其研究现状。阐述了铸造镁合金加入稀土的强化机制，发现单一加入少量稀土元素，对稀土镁合金的组织和力学影响有限，采用复合添加更有效果。并对铸造稀土镁合金的发展趋势作了简要的论述。

关键词铸造镁合金；稀土元素；合金化；综述 

中图分类号  TGl46.2 文献标志码  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

  镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、铸造性能好、比强度和比刚度高、可回收性强等一系列优点，在航空航天、汽车、电子通信等领域得到广泛应用。在实际应用中，由于镁合金塑性加工困难，镁合金产品主要以压铸为主。然而与铸造铝合金相比，常规铸造镁合金的力学性能及耐热性能偏低，从而限制了其进一步应用。通过在铸造镁合金中添加稀土可以显著提高合金的力学性能及耐热性能，进一步扩大其应用范围。因此，本课题主要对铸造稀土镁合金的研究现状和发展趋势进行综述。

1铸造稀土镁合金的研究现状

 常用的铸造稀土镁合金可分为Mg-Al-RE系、Mg-Zn-RE系、Mg-RE系合金3类。近些年来，主要采用合金化方法来研究铸造稀土镁合金中的微观组织及其对力学性能的影响。

1.1 Mg-AI-RE系

Mg-AI系合金是常用铸造镁合金。在Mg-Al系合金中，主要的强化相为低熔点Mg17A112相。当使用温度高于120℃时，Mg17 A112相会软化，且晶界附近富A1的过饱和固溶体会发生p-Mg17 A112相的非连续析出，最终导致合金抗蠕变性能的迅速降低。因此，可以通过改变Mg17A112相的结构和增添新的热强相来提高合金的力学性能及耐热性能。由于RE与Al之间可形成热稳定性高的金属间化合物，并充分抑制Mg17 A112相的形成，因此，Mg-AI-RE合金具有较高的室温、高温力学性能和抗蠕变性能。CUI X P等研究了Pr对压铸AZ91合金组织与力学性能的影响，发现加入0.4%的Pr后，合金中出现了细小的针状A111Pr3相和少量的A16 Mn6 Pr相。随着Pr的增加，A111Pr3相增加并随之粗化，A16 Mn6 Pr相数量急剧增加。AZ91-0. 8Pr合金具有较优异的力学性能，其室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为228 MPa、137 MPa和6.8%。ARUN B等研究了Y对AZ91-Sb铸造合金的高温力学性能的影响。发现在AZ91-o. 5Sb合金中加入0.6%的Y后，会有较好的常温和高温力学性能，在150℃时的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为191 MPa、III MPa和13%。继续增加Y的含量，会形成粗大的A12Y相，导致组织和成分的不均匀，使合金的力学性能降低。降低合金中的A1含量，可提高Mg-AI-RE合金的耐热性能，因此开发出一系列的AE系稀土镁合金口]，如：AE21、AE41、AE42等。ZHANG J H等对压铸Mg-4AI-Ce合金的研究表明，加入4%～6%的Ce可显著提高合金的高温性能，尤其是在150～250℃时，屈服强度比Mg-4AI合金提高了近60%，其原因归结于晶粒的细化及热稳定性好的M9i1 Ce3相的出现。添加单一稀土元素对合金的力学性能提高有限，而加人多种稀土元素时，由于多种稀土元素间的相互作用，可明显改善合金的力学性能。WANG J等经研究发现，单独添加Y(0.9%)或Nd(0.9%)不能对Mg-4AI基合金起晶粒细化的作用，而复合添加等量的Y和Nd却有非常好的细化晶粒作用，且复合添加0.9%的Y和o．9% Nd的Mg-4Al基合金拥有理想的力学性能和伸长率，原因归结为大量热稳定性好且弥散分布的第二相的析出。YANG Q等通过复合添加La、Sm提高压铸Mg-4AI合金的力学性能。结果表明，在Mg-4AI-3La-2Sm合金中，发现了4种Al-( La，Sm)相，除了AE44合金中常见的块状A12( Sm，La)相和针状A111(La，Sm)3相外，还出现了花瓣状A111( La，Sr-r-i)。相和铁锤状A1) (Sm，La)相。其中，La富集在针状A111 (La，Sm)。相中，而Sm则富集在其他3种相中。由于拥有更多的A12 (Sm，La)相及更细小的晶粒，在常温下的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为266 MPa、170 MPa和11.2%，200℃时的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了134 MPa、109 MPa和24%。李克杰等研究了Sm对Mg-6Al-1. 2Y-O. 9Nd合金组织和性能的影响，发现在峰值时效条件下，加入0.5%的Sm时，合金具有最高的力学性能，抗拉强度约为250 MPa，伸长率达26%。少量Sm的加入改善了合金室温拉伸性能，原因有二：一是Sm在镁中有较强的固溶强化作用，二是基体中形成了弥散分布的热稳定相(A12Y，A12 SrTi)和沉淀相Mg2 A13。上述合金的力学性能及对应的强化相见表1。

1.2Mg-Zn-RE系

 Mg-Zn合金相比Mg-AI合金具有更高的屈服强度，但是，在Mg-Zn合金中，增加Zn含量会使合金在铸造过程中出现热裂倾向和显微缩松，导致合金力学性能降低。稀土的加入，可以改善Mg-Zn合金的力学性能和抗蠕变性能，因此开发出一系列的ZE系稀土镁合金，如：ZE33、ZE41、ZE53等。YANG M B等通过对Mg-3. 82n-2. 2Ca-Gd合金的研究，发现少量Gd的加入可以显著提高合金的力学性能和抗蠕变性能。加入1. 49%的Gd时，合金具有最优的力学性能和抗蠕变性能。XU C X等研究Nd和Yb对Mg-5. 52n-0. 62r合金组织和力学性能的影响，发现Nd和Yb的加入能有效细化晶粒。经固溶处理后，合金中形成的Mg-Zn-Yb球状相含量随Nd和Yb的增加而增加，合金的力学性能显著提高。Mg-5. 52n-0. 62r-0. 2Nd-l.5Yb合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了255.6 MPa、163.6 MPa和17.4%。少量Y加入Mg-Zn合金中会形成W-Mg3 Y2Zn3相和准晶I-Mg3 Y2n6相。一定含量的W相可以提高合金的力学性能，而I相为正二十面体准晶相，这种结构可显著提高合金的力学性能。

1.3Mg-RE系

 由于单独添加一种稀土元素对合金的力学性能提高有限，因此，Mg-RE系合金多为多元稀土合金化镁合金。目前，Mg-RE系常用的铸造合金主要有WE系和Mg-Gd-Y系合金。WE54合金为第一个在商业上应用的含Y稀土镁合金。但是，该合金在150℃以上长期使用韧性会降低，因此，降低Y含量，同时增加Nd含量，开发出了WE43镁合金，NIE J F等、AN-TION C等对WE系合金的沉淀相进行了研究。发现在250℃峰值时效条件下，WE系合金同时存在着3种亚稳相：β”、β’和β1相。随着时效时间延长，β1在原位形成β相。XU L等对Mg-4. OY-2. 5Nd-0.7 Zr(WE43)合金的热处理制度进行了优化。发现合金经788 K×4 h+498 K×12 h处理后，大量细小的∥7和卢7弥散分布在基体内（见图1），合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率达到了293 MPa、175 MPa和5.6%；并系

统研究了不同Zn含量(0～1.5%)对Mg-4. OY-2.4 Nd合金微观组织及力学性能的影响。发现在Mg-4.0 Y-2. 4Nd合金中加入0.2%的Zn时，具有最优的力学性能，在225。C时效下，合金的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为330 MPa、265 MPa和6.5%。原因是具有纵横比棱柱面的片状β’相体积含量较高（见图2）。

 近年来，Mg-Gd-Y系合金由于具有显著的时效强化作用，已成为了新的研究热点。JIANG L K等研究了不同Gd含量对Mg-Gd-Y-Zr合金力学性能的影响。结果表明，经时效处理后，Gd含量从9%增加到11%，合金的共晶组织随之增加，但合金的力学性能变化较小，都具有优异的力学性能。其中Mg-10Gd-3Y-0. 52r合金的室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为358 MPa，240 MPa和3.7%。ZHANG S等研究了固溶和时效处理对Mg-14Gd-3Y-I. 82n-0. 52r合金的组织演化和力学性能的影响，发现随着固溶时间延长，合金的14H-LPSO结构数量随之增加，经498 K×16 h的时效处理后，合金基体中弥散分布着大量的β’和β1，相。大量的14H-LPSO结构及弥散分布的沉淀相使得合金具有优异的力学性能，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了366 MPa、230 MPa和2.8%。

2铸造稀土镁合金的强化机制

 目前，制约铸造镁合金应用的关键问题是其力学性能偏低。因此，研究人员对铸造镁合金的强化机理做了大量研究。根据铸造镁合金晶体内位错运动和晶间塑性变形的特点，提高铸造镁合金的力学性能可以从以下几个方面采取措施。

2.1  固溶强化

 半径及弹性模量与基体不相同的溶质原子溶入基体，基体的晶格会发生畸变，造成堆垛层错能降低、产生短程有序或其他溶质原子偏聚，从而降低固溶体中元素的扩散能力，提高再结晶温度，使合金得到强化‘1]。根据H umc-Rothery固溶规则，只有溶质与溶剂原子的半径差值在15%之内时才会产生固溶体。在产生的固溶体中，溶质与溶剂原子的半径差值或弹性模量的差值越大，产生的固溶强化作用就越好。稀土元素在镁基体中的固溶度一般较大，能产生较强的固溶强化。通过研究不同Y含量(O～6.0%)对固溶态Mg-2. 4Nd-0. 22n合金力学性能的影响，发现由于元素Y在Mg基体中最大的固溶度为12.6%，且Y与Mg原子的错配度达到了12.5%，因此，在Mg-2. 4Nd-0. 22n合金中加入6．O%的Y时，固溶态合金的抗拉强度及屈服强度分别提高了72 MPa和57 MPa。

2.2细晶强化

 细晶强化对提高镁合金强度、改善其塑性与韧性具有重要的意义。晶界能够钉扎位错的滑移与运动，在晶界处产生的应力集中可以激活更多的合金滑移系，从而使合金的整体塑性变形协调能力得到增强，随之提高合金的强度和韧性。在一般情况下，合金的屈服强度与晶粒尺寸之间的关系可由Hall-Petch关系式表示：

式中，σy为晶体材料的屈服强度；σ0为晶体材料的晶格间摩擦力；K为斜率（不同的合金材料K值不同）；d为晶粒尺寸。从式(l)中可以看出，合金的屈服强度与晶粒尺寸大小的平方根成反比。由于纯镁是密排六方结构，晶体对称性很低，其滑移系较少，因此它的K值要远大于体心立方和面心立方金属（K≈280～320），所以晶粒细化后，镁合金的力学性能会明显地提高。加入稀土后，合金的细晶强化效果更为显著。ZHANG J H等在Mg-4AI-O. 3Mn合金中加入0～6%的Ce，发现晶粒尺寸由18.5tim减少到8.5μm，见图3。同时，合金的室温抗拉强度及屈服强度分别增加了36 MPa和41 MPa。

2.3沉淀强化

 沉淀强化又称析出强化，产生沉淀强化的前提条件是：合金元素的固溶度随温度的下降迅速降低。将具有此特征的镁合金在较高温度下进行固溶处理，得到过饱和固溶体，接着在较低温度下进行时效处理，析出相便会从过饱和固溶体中析出。如果这些沉淀相具有尺寸细小、分布均匀，与基体保持共格关系且随温度升高粗化不明显等特点，合金便可产生较强的沉淀强化作用。其强化机理为：析出相能够严重阻碍位错的运动及滑移，从而提高合金的屈服强度。沉淀强化是稀土镁合金最重要的强化机制。XU L等对Mg-4Y-2. 5Nd-0.7Zr(WE43)合金的沉淀强化作用进行了半定量计算，结果表明由沉淀强化引起的合金屈服强度提高了36%。

2.4弥散强化

 弥散强化颗粒是合金在凝固过程中生成的，通常都具有较高的熔点和很低的溶解度。在室温环境下，析出相与弥散强化颗粒都可阻碍位错的滑移和运动，使合金得到强化。但在高温环境下，由于析出相不断粗化、合并及软化，最终导致析出相的强化效果显著减弱；而弥散强化相在高温时性能稳定，能在合金变形时阻碍位错的运动，因此，合金在较高温度时仍具有较好的力学性能。一般而言，等轴、细小且均匀分布于基体内的弥散相具有较好的强化效果，这些弥散相颗粒具有极强的钉扎作用。在AZ系镁合金中加入少量RE可形成热稳定性好的Al-RE弥散相，使得AZ系合金的力学性能及抗蠕变性能得到提高。

3  铸造稀土镁合金的发展趋势

 虽然铸造稀土镁合金的研究取得了很大的进展，但到目前为止，铸造稀土镁合金的研究和应用还有待于进一步拓展。预计未来我国铸造稀土镁合金的发展主要集中在3个方面。

 (l)低成本铸造稀土镁合金的开发  稀土价格昂贵而限制了其应用，因此，加入价格低廉的合金化元素替代部分稀土元素成为必然的选择。Zn价格低廉且具有很强的固溶和时效强化效果。此外，Zn还能与部分稀土元素作用生成长周期有序结构和准晶相，使稀土铸造镁合金拥有优异的力学性能及耐热性能。因此，含Zn铸造稀土镁合金的开发是一个研究的热门方向。此外，价格低廉的碱土金属与Ⅳ、V族元素与镁形成高熔点化合物，可以提高合金的力学性能及耐热性能，这也是低成本铸造稀土镁合金的发展方向。

 (2)多元稀土合金化镁合金的开发单独添加一种稀土对合金的力学性能提高有限，加入多种稀土元素时，由于元素间的相互影响，不仅可以降低彼此在镁基体中的固溶度，还可以提高合金的沉淀强化效果。因此，多元稀土合金化镁合金的研究是提高合金力学性能的重要途径。

 (3)稀土合金化的作用机制研究  目前，稀土对镁合金显微组织的影响及在镁基体中的多元交互作用机制规律研究还不够成熟，如：GP区的形成、沉淀析出行为、轻稀土与重稀土元素的交互作用等都有待进一步深入研究。