镁-稀土系合金的分析介绍

稀土是中国的富有资源，同时也是镁合金中的重要元素，对镁合金的性能具有极大的影响。稀土元素可降低镁在液态和固态下的氧化倾向。由于大部分Mg-RE系，如Mg-Ce、Mg-Nd和Mg-La二元相图的富镁区都是相似的，即它们都具有简单的共晶反应，因此一般在晶界存在着熔点较低的共晶组织。这些以网络形式存在于晶界上的共晶体，能够起到抑制显微缩松的作用，只是由于合金中部分Zn在晶界上形成了Mg-Zn-RE相，减轻了一些合金原有的固溶强化效果，导致合金的室温力学性能（强度和塑性）有所降低，但高温蠕变性能得到明显的改善。例如，在Mg-Zn合金中添加一些稀土元素可以显著改善其性能。例如，我国的镁合金ZM2[w（Zn）=3.5%～5.0%，w（Zr）=0.5%～1.0%，w（Ce）=0.7%～1.7%]就是在不含RE的镁合金ZM1[w（Zn）=3.5%～5.0%，w（Zr）=0.5%～1.0%]的成分基础上，添加了一定量的稀土元素，由此增加了组织中共晶体的数量，从而改善了该合金的力学性能。再如，镁合金ZE41[w（Zn）=4.2%，w（Ce）=1.3%，w（Zr）=0.6%]，由于稀土元素提高了镁合金的耐热性能，使其使用温度提高至150℃，其典型的应用是用来制造直升机的变速器壳体。进一步增加Zn的含量，镁合金中会有大块儿的Mg-RE-Zn相在晶界形成，导致合金的脆性增加，并由于降低晶界附近的熔点引起在固溶处理时产生的局部熔化现象。一些研究认为，这些相可在氢气中经长时间的加热而溶解，并将其成功地应用于镁合金ZE63薄壁件。

在铸造镁合金中，稀土元素是改善耐热性最有效和最具实用价值的金属。在稀土金属中，Nd的作用最佳。Nd在镁合金中可导致在高温和常温下同时获得强化，Ce或Ce的混合稀土虽然对改善耐热性效果较好，但常温强化作用差。La的作用在这两个方面均不如Ce。含稀土的镁合金之所以具有较好的耐热性是因为Mg-RE系中α固溶体及化合物相热稳定性较高。Mg-RE系的共晶温度比Mg-Al及Mg-Zn高得多。三价稀土元素被认为提高了电子浓度，可以增强镁合金原子间的结合力，减小了镁在200～300℃的原子扩散速度，特别是稀土金属与镁形成的化合物比Mg₁₇Al₁₂和MgZn的热稳定性高。当从室温加热到200℃时，Mg-Nd系中的Mg₉Nd相的硬度下降约20%，而Mg₁₇Al₁₂和MgZn相的硬度则减小40%～50%。此外，在150～300℃范围内Nd在镁中的固溶度较小，因而固溶体与第二相之间原子交换作用减弱。这些因素都有助于阻止高温下晶界迁移和减小扩散性蠕变变形。一般认为，稀土镁合金较高的抗蠕变性能主要归功于两个方面，即Mg-RE化合物的弥散强化和其在晶界上对晶界滑移的影响。Mg-RE系合金可在150～250℃下工作。

与在Mg-Zn合金中常常要加入稀土金属一样，在Mg-RE合金中往往也要通过加入Zn来增加合金的强度，加入Zr以细化合金的晶粒组织，并在熔炼过程中起到净化的作用，以此改善镁合金的耐蚀性。例如，镁合金EZ33[w（RE）=3%，w（Zn）=2.5%，w（Zr）=0.6%]，既具有高强度同时又具有高的抗蠕变性能，使用温度可高达250℃。在Mg-RE中有时还要加入Mn，因为Mn具有一定的固溶强化效果，同时降低原子的扩散能力，提高耐热性，并也有提高合金耐蚀性的作用。(www.xing528.com)

镁合金中的另一个重要的稀土元素是Y。Y在Mg中的溶解度是12.5%，并且其溶解度曲线随温度的改变而变化，表明其具有很高的时效硬化的倾向。在Mg-Y合金中往往还要加入Nd和Zr。Mg-Y-Nd-Zr合金系列具有比其他合金高得多的室温强度和高温蠕变性能，使用温度可高达300℃。此外，Mg-Y-Nd-Zr热处理后的耐蚀性优于其他所有的镁合金。纯的稀土Y在使用中具有一定的困难，其一是价格昂贵，其二是熔点高（1500℃），与氧的亲和力大。一些研究用质量分数约为75%的Y和Gd、Er等重稀土的混合稀土来代替纯的稀土Y，并通过在Ar和SF₆的惰性气体中加稀土，结果收到了明显的实效，因而开发出一系列商业Mg-Y-Nd-Zr（WE）系列镁合金，这其中又以WE54和WE43最为广泛。对于WE54合金，其成分范围为：4.75%～5.5%钇、3.5%～4.5%稀土和0.4%～1.0%锆。稀土是由1.5%～2.0%的Nd以及余量包括主要成分铽、铒、镝、钆的重稀土元素组成。Kielbus研究了时效处理对WE54合金组织和性能的影响。研究表明，该合金有明显的时效强化效应，不同热处理条件对合金常温和高温力学性能的影响很大。结果显示在525℃/8h固溶，250℃/16h时效后合金表现出最优异的力学性能。室温抗拉强度达到333MPa，屈服强度达到257MPa，断后伸长率为6.3%。而高温下力学性能没有大幅下降，抗拉强度仍高于300MPa，屈服强度高于250MPa。合金的强化主要得益于时效过程中的四阶段析出：S.S.S.S.→β″（DO₁₉）→β′（cbco）→β₁（fcc）。而在峰值时效状态，β′相起最主要的强化作用。对于WE43合金，其成分范围为：3.7%～4.3%钇、2.4%～4.4%稀土和0.4%～1.0%锆。稀土是由2.0%～2.5%的Nd以及余量包括主要成分铽、铒、镝、钆的重稀土元素组成。经时效热处理优化后的室温抗拉强度为250MPa，屈服强度为162MPa，断后伸长率为2%，其时效析出序列与WE54中相似。这两种合金的综合力学性能非常优异，可被应用在200～250℃的高温环境，已被广泛用于赛车及航空器（如McDonnellDouglesMD500直升机）的变速器壳体中，是目前已被大量商业应用的镁合金中耐热性能最好的镁合金。

近年来，很多学者研究了添加钐（Sm）、钆（Gd）及重稀土元素对镁合金性能的影响，并获得一系列含重稀土的高性能铸造镁合金。对于重稀土元素，除铒（Er）和镱（Yb）外，在镁中的溶解度大约为10%，元素对合金的强化作用主要来源于固溶强化和析出强化。一般来说，在达到溶解度前，在镁中加入这些重稀土元素的量越多，对合金的强化作用越明显。合金中加入Gd和Dy后可获得优异的力学性能，尤其是加入量在10%以上时。Drits等研究了不同含量Sm对Mg-Sm合金性能的影响，结果显示加入2%～4%的Sm时合金具有最好的固溶和析出强化效果。除了上述添加重稀土元素后的二元Mg-RE合金外，研究发现在此基础上添加Y元素能够进一步优化合金的综合力学性能，并且这类合金往往同时加入0.5%～1%的Zr元素以细化晶粒来增强对合金的强化效果。优化后的铸造Mg-Gd-Y-Zr合金在室温和250℃条件下的抗拉强度为370MPa和313MPa，并且具有比WE系列合金更优异的抗蠕变性能。郑开云研究了Nd加入到Mg-Gd合金后对性能的影响，结果显示优化后的Mg-11Gd-2Nd-0.5Zr合金在250℃时的抗拉强度为326MPa。李大全研究了Y加入到Mg-Sm合金后对性能的影响，结果显示优化后的Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金在250℃时的抗拉强度为275MPa。Peng等研究了同时加入Gd和Dy后Mg-Gd-Dy-Zr合金的力学性能，结果显示经热处理优化的合金在室温和250℃时的抗拉强度分别为355MPa和230MPa。以上合金均有望在250～300℃环境条件下应用。近来，有研究表明在含重稀土的镁合金中加入Ag和Zn可以进一步提高合金的室温和高温力学性能。王渠东和赵政等发现在Mg-Gd-Y-Zr合金的基础上加入1%～2%的Ag可获得异常优异的抗拉强度，铸造态合金抗拉强度为400MPa。而在Mg-Gd和Mg-Y合金中加入Zn获得了比预期更佳的强化效果，这主要得益于Zn的加入与稀土元素形成长程有序结构的LPSO相，能够极大地提高合金的室温和高温力学性能以及抗蠕变性能，但合金的塑性有所降低。