稀土镁合金的研究现状及应用张晓（中北大学材料科学与工程学院，山西太原 030051）摘要：镁合金具有许多优异的性能，如高比强度、高比刚度等。
但它强度不高，高温抗蠕变性能差。
稀土的加入对改善其组织和提高耐腐蚀性，特别是高温性能具有重要作用。
本文介绍了国内外稀土镁合金的研究现状，并展望了稀土镁合金的应用前景。
关键词：镁合金；稀土；现状Study Situation And Application Of Rare-earth Magnesium AlloysZhang Xiao(North University Of China School Of Material Science And Engineering, Taiyuan Shanxi 030051) Abstract: Magnesium Alloy has many inherent advantages of Magnesium Alloy, such as high specific strength，high specific stiffness and so on. But it is not high strength and high temperature creep resistance is poor.the rare earth to improve their organization and improve corrosion resistance, especially high temperature performance has an important role,Study situation of Rare-earth Magnesium Alloys were introduced at home and abroad in the paper and the prospect of application in Rare-earth alloys Magnesium Alloy was looked.Key words: Magnesium Alloy; Rare-earth; situation0 前言镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度、高弹性模量、高阻尼性能，还具有优良的切削加工性能、导热性以及抗电磁干扰等特性。
稀土元素由于具有独特的核外电子排布，表现出独特的性质，对0、S和其他非金属元素有较强的亲和力，在冶金过程中可以净化合金熔体、改善合金组织、提高合金室温力学性能、增强合金耐腐蚀性能[1]。
稀土元素原子扩散能力差，对提高镁合金再结晶温度和减缓再结晶过程有显著作用[2]。
近年来，根据对材料的性能要求而研制开发了一系列含稀土的高强、耐热、抗蠕变、阻燃等镁合金，稀土作为主要的合金元素或微合金化元素在镁合金研究领域发挥愈来愈重要的作用。
由于稀土元素的合金化，使镁合金的强度提高了1～2.5倍，极限工作温度提高到350℃，且铸造性能、耐蚀性能均有大幅提高，大大拓展了镁合金的应用领域[3]。
1稀土镁合金相图有关Mg-RE二元相图已有相当详细的研究，我们这里以Ce-Mg、Y-Mg相图，作为轻稀土和重稀土的Mg-RE相图代表[4]。
从相图上看，对于轻稀土，存在有RE：Mg为1:1,1:2,1:3,5:41,2:17,和1:12几相；对于重稀土则有1:1,1:2,1:3,5:24几相。
由于在富镁端相数多，它们之间的包晶反应及固态相变多，因而易形成亚稳态合金。
其中1:2相为Laves 相，对于轻稀土为MgCu2立方晶系，对于重稀土为MgZn2六方晶系，它们的稳定性随稀土元素从轻稀土到重稀土而增加。
最富镁化合物大多是由简单的共晶反应形成，与镁形成共晶平衡。
到镁端，一些稀土元素可在镁中形成固溶体。
根据Hume-Rothery固溶度准则，可估算稀土在镁中固溶量的大小，其中以Sc和Y的为最大Ⅲ，分别为15.9at% 和3.75at%。
稀土元素在Mg基体中具有较大的极限固溶度，而且随温度下降，固溶度变化很大，满足与镁形成时效硬化型合金的必要条件。
总的来讲，稀土在固态镁中的溶解度随稀土原子半径的增大而逐渐下降。
2 稀土在镁合金中的作用2.1 稀土对镁合金熔体的净化作用稀土对镁合金熔体有很好的净化作用，具有除氢净化及除氧化夹杂物的作用。
在熔炼过程中，由于镁的化学性质非常活泼，易与水气发生反应使镁合金具有较强的析氢倾向。
在镁合金液有较大的溶解度的氢，会导致铸件产生气孔、针孔及缩松等铸造缺陷。
在镁合金熔炼过程中加入稀土，稀土元素与水气和镁液中的氢反应，生成高熔点的稀土氢化物和稀土氧化物，比重较轻的稀土氢化物和稀土氧化物上浮成固体渣，从而达到除氢的目的[5]。
镁与氧结合形成稳定的MgO，是镁合金中形成氧化夹杂物的主要原因。
夹杂物使合金的力学性能和耐蚀性能降低，且易使合金产生疲劳裂纹等[6]。
由于稀土元素与氧的亲和力更大，因此在镁溶液中加入稀土元素，稀土将优先与氧结合而生成稀土氧化物，从而达到去除氧化物夹杂的作用。
2.2稀土-镁合金与氢的反应氢在镁中有较大的溶解度，比其在铝中高1～2个数量级，在液态镁中，随温度升高，压力增大，氢的溶解度也增大[7]。
氢的主要来源是潮湿的气氛，在熔炼过程中与空气中的水反应：Mg(1)+H2O(g)=MgO(s)+2[H]氢和镁不形成化合物，在镁中呈间隙式固溶体存在，含氢量过高会使镁合金出现显微气孔。
稀土对除去镁合金中的氢有明显作用。
在加入稀土后，稀土与氢反应生成REH2相；[RE]+2[H]=REH2同时，稀土与MgO发生反应：2 [RE]+3MgO=RE2O3+Mg此反应有较强的驱动力，因此可生成稀土氢化物和氧化物而达到合金溶液除氢的效果，特别对于含锆的镁合金，由于[H]与Zr生成稳定的化合物ZrH2，使锆在镁合金中溶解度减小，增大了锆的损失．因此添加稀土对镁合金除氢具有十分重要的意义。
3 稀土镁合金的发展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-RR(RR为混合稀土代号，下同)的开发工作[8]，并在DMW-801D 型飞机发动机上使用了Mg-6RR-11.7Mn合金锻件。
但这种合金存在铸态组织晶粒粗化的缺陷，从而影响了其商业开发。
1937年，德国学者Sauerwald[9]首次进行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[9](于1946年)的工作也发现MM和Zr可同时加入镁中，且Zr对镁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。
1959年，Payne等发现银的加入明显改善Mg-RE 合金的时效硬化效应，据此开发了QE22，QE21及EQ21等合金；1979年，Drits等[10]开发了一系列耐热高强WE型镁合金。
后来将钐、钇、钆、钕等稀土元素加入镁合金，又开发出了一些新型镁合金。
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。
美国科学家对镁合金这一工程材料投入大量的研究，在汽车工业、航空航天工业进行了广泛的新材料研制与推广应用工作，开发出的AE系列镁稀土压铸合金，并将WE系列合金大规模投入应用，取得许多成绩。
在高强耐热镁稀土合金研究与应用方面，美国始终处于领先位置。
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了M JI9、M JI10、M JI1、M JI15、M JI17、M JI19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、MA11、MA12、MA15、MA19、MA20以及导声材料MA17超轻材料MA18等[11]。
欧洲的稀土镁合金研究最为活跃，许多应用型稀土镁合金问世于欧洲。
20世纪80年代，英国对Mg—Y—Nd基合金进行了深人的研究，在上世纪90年代开发出了一系列高温下具有高强度及蠕变性能的WE型镁合金，其中WE54合金，在室温下具有相当于普通铸造铝合金的优良耐腐蚀性能和抗拉性能及蠕变性能[10]。
1989年MEI英国在巴黎航空博览会上推出了一种含钇、钕量较低的WE43合金，该合金在高温下强度略有下降，但具有满足使用要求的延展性和优良的耐腐蚀性能。
俄罗斯主要沿袭前苏联的镁合金发展体系，曾经研制出早期飞机舱盖用M JI7以及大量应用于米格23飞机的M JI10稀土镁合金等，最近几年未宽突破性研究报道。
目前在俄罗斯的航空航天及军事工业已经广泛使用含钇的变形镁合金BM JI10和含钇、钕的铸造镁合金。
对比铝合金结构，这些镁合金的应用可保证降低结构重量的25％～50％[11]。
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)形式加入。
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-20%Gd、Mg-20%Tb耐热镁合金，其抗拉强度在250℃为280~320MPa，与WE系合金和铝合金相比又有了大幅度提高。
Mg-10% Gd(或Dy)-3Nd-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[12]。
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IM Mg-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100～200 nm的高强镁合金Mg-2%Y- 1%Zn(即Y和Zn的原子分数分别为2% 和1% )，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[13]。
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MB8、MB22、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MA13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，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心开发出阻燃效果和力学性能良好的轿车用阻燃镁合金。
湖南大学、中南大学等采用快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤(ECAE)等方法使镁合金晶粒高度细化，从而开发出具有高强度、高塑性甚至超塑性的高强、高韧镁合金如Mg-(5～8) Al-(1～2)Zn-0.5～2)M(M=Pr、Nd、Ce、Y)[14]。