高性能稀土镁合金及其研究进展

高性能稀土镁合金及其研究进展镁合金作为一种轻质的绿色工程材料具有很大的应用前景，被称为21世纪的“绿色工程材料”。

然而，大部分镁合金的力学性能（尤其高温力学性能）较差，使其应用受到限制。

因此，如何改善其力学性能成为亟待解决的问题。

添加合金化元素是常用来改善镁合金力学性能的手段之一，尤其是添加稀土元素。

稀土元素对镁合金具有“净化”“细化”“强化”“合金化”的四重作用。

Mg-RE系合金因其优异的高温拉伸性能、抗蠕变性能及良好的塑性成形能力而备受青睐，被认为是最具有应用前景的高温高强合金体系。

因此，本文主要综述近年来国内外在高性能稀土镁合金方面的研究进展，重点介绍制备高性能镁合金的制备方法、加工技术、热处理工艺、强韧化机制及目前研究中存在的问题与不足。

1.Mg-RE系合金Mg-RE系合金是目前镁合金中最重要的高强耐热镁合金体系，尤其是含有重稀土元素（Gd、Y、Dy、Ho、Er等）的镁合金。

Mg-RE系二元合金的时效硬化特性、强度与稀土添加量成正比关系，如在 Mg-Gd二元合金体系中Gd的质量百分含量若低于10%则合金的时效析出偏低或者无析出，直接导致合金的强度及耐热性能降低。

为了降低稀土的添加量且不影响时效硬化特性效果，在Mg-RE二元合金的基础上添加其它合金化元素开发出了三元、四元等稀土镁合金。

目前，稀土镁合金主要包括在Mg-Gd体系上形成的Mg-Gd-Y、Mg-Gd-Er、Mg-Gd-Ho、Mg-Gd-Dy等系列合金，在Mg-Y体系上形成的Mg-Y-Gd、Mg-Y-Nd、Mg-Y-Sc-Mn 等系列合金，为了细化晶粒稀土镁合金中常常加入Zr元素。

除了早期的WE54、WE43合金，Mordike等通过添加Sc及Mn等元素，开发了抗蠕变性能优于WE43合金的Mg-4Y-1Sc-1Mn(wt.%)合金；He等用普通铸造+挤压+峰值时效的方法制备了高强耐热Mg-10Gd-2Y-0.5Zr(wt.%)合金，其室温下的屈服强度、抗拉强度、延伸率分别可高达331 MPa、397 MPa、1%。

最近，Li等通过轧制+时效的方法制备了Mg-14Gd-0.5Zr 合金，其屈服强度、延伸率分别可高达445 MPa、2%。

Mg-RE系合金是目前最适合、最有前途的可应用在航空航天或汽车上的镁合金材料，多数单位都将此系列合金的目标性能提高到550Mpa-600Mpa，稳定使用温度在200 o C。

晶粒细化、形变强化、沉淀强化是目前稀土镁合金采用的强化手段。

目前的研究主要集中在沉淀强化方面。

Mg-RE系合金主要的时效析出强化相为β′′ (DO19)、β′(cbco)，其中，β′′相的化学成分为Mg3RE， β′相的化学成分为Mg15RE3。

β′相与基体具有半共格关系，匹配较好，大量、致密、规则析出的β′相，可有效阻止位错运动，被认为是合金强度提高的主要原因之一。

目前的研究仍有不足，主要表现在以下几个方面：（1）合金中含有大量的稀土，导致合金成本偏高；（2）合金的塑性加工性能偏差，有必要寻找改善合金塑性的新方法、新理论；（3）合金的塑性变形机制研究较少，需大研究稀土溶质原子、晶粒尺寸、晶界类型、织构等对滑移系机制的影响规律。

2.Mg-RE-Zn系合金Mg-RE-Zn合金是现在研究的一个热点，一方面因为Kawamura于2001年用快速凝固粉/末冶金方法制备了目前性能最高的镁合金MgZn 1Y 2，其屈服强度、延伸率在室温下分别达610MPa 、5%，归因于合金中的纳米晶粒及6H 长周期层错相。

另一个方面是因为这个体系的合金第二相变化丰富，随着Zn 和稀土比例的变化，可以生成LPSO 相，I 相、W 相及Mg-Zn 相。

这些变化都源于Mg-Zn 相变化的复杂性。

研究表明，Mg-RE-Zn 合金具有优异的力学性能，尤其含有LPSO 相的合金，所示。

根据合金中三元相的种类，本章节分为两个部分介绍。

2.1 含有LPSO 相的Mg-RE-Zn 系合金长周期层错（Long-period stacking ordered ， LPSO ）相是目前最有效的强化相，最早由Padezhnova 发现，现已被国内外专家证实。

它分为24R ，18R,14H ，10H ，6H 等多种类型，在Mg-RE-Zn （RE 包括，Gd 、Y 、Ce 、Sm 、La 、Er 等稀土元素）合金中普遍存在。

调控合金中加入的Zn/RE 比值可控制它的生成、含量及分布。

LPSO 相可抑制{101—2}变形孪晶生长、发生“kink”变形及形成强烈的（0001）<112_0>基面织构而提高合金的强度与韧性。

含有LPSO 相的合金是目前力学性能最优异的合金代表。

Homma 制备的Mg-1.8Gd-1.8Y-0.7Zn-0.2Zr （at.%）挤压合金T5处理后，其室温屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为473 MPa 、542 MPa 、8.0%，其综合力学性能非常突出，超越了大部分Mg-RE 系合金的综合力学性能。

该类合金不仅具有超高的室温力学性能，也具有卓越的高温力学性能。

吴玉娟制备的Mg-Gd-Zn-Zr 合金在300o C 条件下抗拉强度仍高达283MPa 。

Kawamura 研究了18R-LPSO 相增强的Mg 97Y 2Cu 1 (at.%)合金的高温力学性能，发现其强度在200o C 下与在室温条件下相差无几。

然而，目前的研究主要集中于LPSO 相对合金力学性能影响规律，关于LPSO 相的形成机制，塑性变形机理，晶体结构等方面的研究不多，也未形成统一性的认识规律。

另外，有关时效沉淀相（ ′相）与LPSO 相的转变、调控及相互间的关系等方面的研究也比较薄弱。

2.2 含I 相、W 相的Mg-RE-Zn 系合金除了LPSO 相外，I 相也被认为是目前镁合金中有效的强化相之一，向Mg-Zn 系合金中添加少量的Y 、 Gd 、Er 等稀土元素可形成I 相。

研究表明，调控合金中I 相的含量，可制得屈服强度为150 MPa ~450 MPa 的Mg-RE-Zn 合金。

合金中的W 相恶化合金的力学性能，应尽力避免它生成。

目前，已经确定了形成I 相、W 相的成分区间。

现在Mg-Zn-RE 系合金的研究着重二次加工条件下微观组织的演化及力学性能的改善，主要涉塑性变形机制、动态再结晶机制及纳米I 相/W 相动态析出及控制。

最新的研究表明，Mg-Zn-RE 系变形合金的织构强度随着I 相含量的增多而降低，这跟动态再结晶的机制改变有关，也报道了关于I 相诱导下的“PSN ”动态再结晶机制。

这方面的研究还需要加强。

热变形过程激发了纳米I 相/W 相的析出，可进一步提高力学性能。

徐春杰采用往复挤压工艺制备了纳米I 相增强的Mg 92.5Zn 6.4Y 1.1（wt.%）合金，室温下其屈服强度、延伸率可分别达372MPa、5%。

纳米W相的出现也颠覆了有关W相的传统认知规律，Ma制备的含有纳米W相及大量大角晶界（>90%）的Mg-7.12Zn-1.2Y-0.84Zr（wt.%）合金表现出了优异的拉伸超塑性行为。

虽然Mg-Zn-RE系合金的研究取得了许多成果，但也面临着新的科学问题，例如含有I 相的Mg-Zn-RE系合金的动态再结晶机制及其对织构、晶粒、晶界的影响，纳米I相/W相的析出机制、控制原理及其对合金力学性能的影响等，以上问题是目前Mg-Zn-RE系合金中亟待解决的科学问题。

3.Mg-Al-碱土/RE系合金Mg-Al-碱土/稀土合金材料的设计，主要是针对镁合金材料的使用温度低而开发的，其主要设计原理是利用碱土/稀土与Al生成高温稳定的第二相，并避免β-Mg17Al12相的生成。

国内外通常采用向Mg-Al合金中添加富Ce和富Nd混合稀土、La、Ce、Nd单一稀土等，主要析出相有Al11RE3、Al2RE和Mg12RE等。

由于碱土元素的价格低廉，近年国内外学者陆续开展了碱土元素（Ca或Sr）部分或全部替代稀土元素强化Mg-Al系镁合金的研究。

添加Ca致使合金中有Mg2Ca及Al2Ca形成，控制Ca和Al的质量加入比小于0.8，只有Al2Ca形成，可大大提高合金的高温力学性能。

Sr在较高温度下可与Al结合，避免了Mg17Al12析出。

近期，提出并设计了Mg-Al-Nd-Sr合金体系和Mg-Al-Zn-Gd合金体系。

开发了性能优异的Mg-Al-Nd合金，并发现当Nd添加量为6wt.%时，合金100 h总蠕变量和稳态蠕变速率分别下降到基体合金的1/3和1/10左右。

在Mg-Al-Nd合金的基础上，实现了Nd和Sr共同添加的复合强化，致使合金中形成了Al4(Sr,Nd)和Al11(Nd,Sr)3两种复合相，利用经验电子理论的键距差法计算了复合相的电子分布，揭示了Nd和Sr复合添加提高合金蠕变性能的重要原因。

开发了室温、高温力学性能良好的Mg-2Al-1Zn-2Gd合金，该合金室温抗拉强度和屈服强度分别为252 MPa和135 MPa，200℃下合金的抗拉强度和屈服强度分别达到148 MPa和90 MPa。

4.镁基复合材料金属基复合材料一般由轻金属基体和增强相组成。

目前主要是外加增强体于镁基合金中制备复合材料，B4C 、SiC晶须或颗粒被认为是合适的增强体。

AZ91合金添加20%SiC晶须后制备的压铸复合材料室温抗拉强度可达439 MPa，而挤压态的可达623 MPa。

然而该类材料普遍的弱点是延伸率差，例如ZK51A合金添加20%SiC晶须制备的铸造合金的延伸率仅为0.91%。

尽管外加增强体可显著提高合金的强度，但增强体与基体合金界面润湿性差，热力学不稳定，且易于偏聚等三大关键问题，导致复合材料的研究及应用进展缓慢。

通过RPW 技术制备了外加准晶增强的AZ31镁基复合材料，研究发现准晶颗粒与基体之间的界面以原子形态结合，没有过渡层、夹杂及孔洞等，该复合材料的室温屈服强度、抗拉强度分别为330 MPa、370MPa，达到了国际上制备复合材料的先进水平。

另外制备的Mg2Si颗粒增强的AZ31基复合材料，研究了增强体生成的热力学及动力学特点，揭示了原位合成增强体的形成与生长规律（形核长大控制），确定了它的形成与生长反应机理函数。