稀土镁合金的研究进展及应用

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 Alloys

Zhang 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; situation

0 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