稀土镁合金的研究状况及研究进展

第一节 研究状况

一、国外稀土镁合金的研究开发状况

稀土镁合金的研制可追溯到20世纪的20年代，当时德国进行了Mg-MM(MM为混合稀土代号，下同)的开发工作，并在DMW-801D型飞机发动机上使用了Mg-6MM-11.7Mn合金锻件。与此同时，英国也进行了混合稀土的应用研究工作，于二次世界大战期间，在飞机叶片锻件中使用了Mg-3MM-0.5Mn-0.5Ca合金。但这种Mg-MM-Mn合金存在铸态组织晶粒粗化的缺陷，从而影响了其商业应用。

1937年，德国学者Sauerwald首次进行了Zr有效细化Mg-Th-Zr合金晶粒的工作，对镁合金的研制作出了杰出贡献。Murphy和Payne(于1946年)的工作也发现MM和Zr可同时加人镁中，且Zr对镁仍具有细化晶粒的作用，从而解决了稀土镁合金的工艺问题，使其在商用领域得到了发展。

20世纪60年代初，美国在铸造镁合金中发展了EK,EZ,QE,ZE等系列产品，后来又发展了耐热高强WE型镁合金及EK,ZK,ZE系列的变形镁合金。

前苏联在稀土镁合金方面进行了许多理论与应用研究，一直处于领先地位。于20世纪70年代，在铸造镁合金中发展TMj19,MjilO,Mall,Mnl5,M.i17,Mjil9系列产品以及阻尼材料MUN(Mg-0.15Zn-5.5Zr-0.58C-0.04Y)，在变形镁合金中发展了MA8,MA1l,MA12,MA15,MA19,MA20以及导声材料MA17超轻材料MA18等。

考虑到成本因素，稀土镁合金中的稀土元素以混合稀土(富Nd、富Ce、富La,Y)形式加人。随着稀土镁合金应用要求的不断扩大，开发研制了越来越多的单一或混合重稀土镁合金。欧洲国家开发的Mg-200oGd,Mg-200oTb耐热镁合金，其抗拉强度在2500C为280^-320MPa，与WE系合金和铝合金相比又有了大幅度提高。Mg-l0ooGd(或Dy)-300Nd-Zr合金，由于高温强度好，具有比AZ91D合金更好的耐蚀性，已成为有希望应用于汽车发动机零件的新合金。目前，正在积极开发的还有Mg-Sc-Mn-Zr.和Mg-Sc-Mn-Gd(Tb)-Zr合金。日本紧随欧美步伐，相继仿制出与欧美最新研究成果大致相同的MC8(EZ33A),MC9(QE22A),MC10(ZE41A)等镁稀土合金，同时积极研制汽车工业用稀土镁合金。1999年开发出超高强度的IMMg-Y系变形镁合金材料，以及可以冷压加工的合金板材。2001年开发出晶粒尺寸为100^-200nm的高强镁合金Mg-2ooY-looZn(即Y和Zn的原子分数分别为2%和loo)，其强度为超级铝合金的3倍，并具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。

二、国内稀土镁合金的研究开发状况

近年，我国的稀土镁合金也有了很大发展，在铸造镁合金中开发了ZM2,ZM3,ZM4,ZM6以及ZM8等系列产品，在变形镁合金中开发了MB8MB22,MB25以及在MB25基础上用富Y混合稀土代替高品位Y的MB26。东北轻合金加工厂研制开发成功的含Nd、含Gd代号为122和127合金的两种耐热高强稀土变形镁合金，其室温强度比MA1和HM21要高得多，且300℃下的高温强度与MA13,HM21相当，已在国防军工上获得广泛应用。

目前，上海交通大学的研究发现，在中国牌号ZM6合金的基础上通过纯钕元素替代富钕混合稀土、调整合金元素含量范围以及添加微量合金元素等手段开发的Mg-2.5~3.5Nd-0.2Zn-0.5Zr-X合金的综合性能远远超过ZM6合金和EZ33A合金，而且无须氢化处理。这种合金采用了高温固溶工艺，从而可以提高固溶处理后的Nd元素在基体中的固溶量以及后续时效强化效果。

稀土元素Y和Gd的优良时效强化作用是近年的重要发现之一。何上明等人在Rohklin和Kamado等人的工作基础上系统地研究了Mg-Gd-Y-Zr-Ca系合金的显微组织和力学性能，并开发高强度镁合金Mg-10Gd-3Y-0.6Zr-0.4Ca（GW102K)以及Mg-12Gd-3Y-0.4Zr-0.4Ca（GW123K)。

Mg-Gd-Y-Zr 系列合金力学性能与温度的关系

与日本Kamado等人的研究结果不同的是，他们发现Mg-Gd-Y-Zr系合金的时效沉淀析出顺序应为Mg(SSSS)→β”（D019）→β”（bco）→β1（fcc）→β（fcc），而不是常规报导的Mg（SSSS）→β”（D019）→β’（bco）→β（bcc）序列，其中β”和β’在时效峰值处共存，并以极细的针状或片状弥散析出，沿镁基体的{11-20}棱面分布，首次在该合金系内发现一种具有面心立体的新型过渡相β1，该相在基面上呈现菱形颗粒状。

几种主要的过渡相的形貌与斑点

注：250℃下时效(a)16h,(b)193h和(c)2400h的GW103K合金TEM明场像和微束衍射分析花样显示了β’,β1,和β析出相的形态与晶体特徵。入射束分别平行于[0001]α和[001]β’(a),[110]β1(b),以及[110]β(c)。
 

此外，上海交通大学还对Mg-Dy-Nd，Mg-Y-Sm，Mg-Gd-Nd等其它稀土系合金进行了研究与优化，得到不同稀土含量的镁合金，与Mg-Gd-Y和Mg-Nd系合金类似，这些镁稀土系主要强化方式为高温时效析出的亚稳相，因此具有良好的强度与耐热性，为高强度耐热镁合金。

第二节 研究进展

一、稀土元素在镁合金中的作用

由于稀土（包括钍）镁合金的出现，使镁合金的应用自20世纪50年代以来，得到了迅速发展。稀土在镁合金中的作用可归结为：提高抗蠕变能力，提高室温和高温强度和改善工艺性能。因此，目前世界各国的含稀土镁合金已占铸造镁合金的50%以上。

（1）高温抗蠕变合金

首先在航空发动机上得到应用的是Mg-RE-Zr（Mg-3RE-0.1Zr）合金，满足了205℃具有高强度和抗蠕变性能。

（2）高强度稀土Mg-Zn-Zr合金

ZK51（Mg-4.5Zn-0.6Zr）具有280MPa的抗拉强度，但铸造性能差。加入稀土后，在铸造组织中呈现Mg-Zn-RE化合物，以分离型共晶分布于晶界，使铸造工艺性能明显改善。

ZE63A（Zn-6wt%，RE-2.5wt%，Zr-0.6wt%）用于RB211发动机的推力换向器已有多年。它的抗拉强度可达276MPa；屈服强度达186MPa；延伸率达5%。

（3）含钇稀土镁合金

钇对镁合金具有很好的强化作用，这是由于钇固溶于基体中以及晶界被耐热的化合物封闭所致。因此，Y-Mg合金具有较高的热强性能，甚至达到钍镁合金的高温性能。此外，它还具有优异的高温抗氧化性能。含9wt%的镁合金在潮湿空气中加热到510℃，保持98小时仅增重1mg；而含钍的镁合金则增重达15mg。

二、最新研究动向与成果

1、稀土镁合金研究成果在长春一汽广泛应用

中国科学院长春分院对中科院东北振兴科技行动计划重大项目“稀土镁合金及其在汽车上的应用”进行跟踪调研。

该项目在长春应化所和长春一汽铸造公司的通力合作下，迅速启动并取得重大进展，目前已经具备批量生产镁合金部件的能力。在一汽铸造公司专家们看到镁合金的熔炼设备、压铸设备、检测设备及外加工设备均已到位，多数设备正式投产。目前，大批量、多种类的镁合金部件已经取代了铝合金部件。一个以稀土镁合金技术为核心的镁合金应用产业正在迅速形成。

稀土镁合金项目所采取的技术路线，创新性地解决了材料性能达标问题，国外没有这个技术，这个技术在国际上是领先的。中科院对核心技术产业化研发进行投入，非常必要和及时。中科院发展产业化的方针和对项目的准确投入，一汽是受益者，是对一汽发展镁合金应用的最大支持。由于一汽的部件产品辐射全国，不排斥其他厂家的应用，所以这个计划的实施，必将对中国汽车工业产生深远影响。

2、新型稀土镁合金汽车材料研发成功

一种耐热、抗蠕变的稀土镁合金汽车材料，近日由瑞格镁业有限公司研发成功，并与通用集团合作，应用在其汽车制造的多个组件上。

这种高性能镁－稀土合金的研制、开发与应用，能使汽车各项性能均超过国内外同类产品水平。瑞格镁业公司和国际５００强企业之一的通用汽车联手合作，共同开创了本土矿产企业与国际巨头强强联合、共谋发展的形式，加上瑞格在技术的产品品质上的不断创新，为瑞格镁业广泛进入国际市场打下了坚实的基础。瑞格镁业是一家专业从事金属镁、镁合金、变形镁合金及相关产品深加工的研发、生产和销售的现代化企业。金属镁年设计产能１１０００吨，镁合金年产能１２０００吨属于规模化生产企业。瑞格镁业生产的镁系列产品已被广泛应用于航天、汽车、电子等国内发展十分迅速的行业。在３Ｃ电子产品、电动工具等相关领域。

3、稀土镁合金热压缩动态再结晶的研究

采用Gleeble-1500D热模拟机对Mg—Al—Zn—Nd稀土镁合金的变形规律及动态再结晶行为进行研究。结果表明：合金的流变应力随应变速率的增大而增加，随温度的升高而降低；变形量对应力一应变关系的影响很小；变形过程中发生动态再结晶，随变形程度的增加，动态再结晶晶粒不断增多，材料呈现明显的软化趋势，流动应力下降。当动态再结晶过程完成以后，继续变形，材料又出现硬化行为；并且动态再结晶平均晶粒尺寸的自然对数与Zener—Hollomon参数的自然对数呈线性关系。根据实验分析，合金适宜的热加工条件为：变形温度400～450℃，应变速率0．1—5s^-1。

第三节 发展非晶镁合金与镁合金的超塑性研究的潜力

由于传统高温塑性加工具有变形温度高，工艺控制复杂等缺点，适应应用领域不断拓展的趋势，迫切需要提高镁懿低温塑性糯工性薤，拜发薪的镁合金塑性加工方法。由于机械性质对晶粒尺寸有非常大的依存性，晶粒细化可以大螭度改善镁合金的室滠强度、延袋性以及越塑性，健会金的鏊性船工牲辘得到提高，镁合金的超塑性及利用其超塑性进行塑性加工成形裁造方面的研究越来越受到重视。

尽管镁合金超塑性已经得到了广泛的关注，但目前基于超塑性的工业化成形加工制造却非常有限。其主要原因可以归结为以下几点：1）镁合金超塑性往往在非常慢的应变速率下才能实现，难以符合工业化生产的要求；2）实现超塑性的变形温度过高，加工作业性差，模具容易损坏，生产成本高；3）超塑性镁合金的制备控制复杂，成本高，难以规模化。

在此背景下，除了大量的针对镁合金超塑性现象及其机制的研究以外，如何实现工业条件下的镁合金超塑性成形加工业受到了广泛的关注。目前为止的研究在一定程度上为这一目标的实现提供了基础和可行的发展方向。

总体而言，镁合金超塑性的研究在过去的十年左右时期内获得了大量的科研成果。但要达到为材料及工艺设计提供足够的理论依据，及工业化应用还有很多需要解决的课题。从大的方面讲，还需要在以下几个方面进行研究：