鎂合金是目前世界上最輕的金屬結構材料之一，比重小，比強度和比剛度高，能承受較大的沖擊、振動載荷，對堿、汽油、煤油、苯及礦物油的耐蝕性好，還有優(yōu)良的切削加工性能和拋光性能。在交通運輸、航空航天、汽車、醫(yī)療器械等領域具有廣闊的應用前景，同時鎂合金輕量化效果顯著，在軍工武器裝備、3C等產品輕量化中有廣泛應用。但鎂合金也存在熔煉過程極不穩(wěn)定，鑄造縮松、熱裂缺陷嚴重，高溫強度、抗蠕變性能、耐腐蝕性能較差等問題，限制了其廣泛應用。稀土元素在鎂合金中有很好的固溶度，稀土元素的添加可有效細化晶粒尺寸，對合金的室溫、高溫力學性能提升顯著，且熔煉時阻燃效果明顯。因此，本文綜述了稀土元素對鑄造鎂合金組織和力學性能的影響規(guī)律，并進一步總結了稀土在鎂合金中的強化機理，提出了高性能鎂合金稀土合金化的思路。
1　含稀土鑄造鎂合金研究現(xiàn)狀
1.1　Mg-Al-RE 系鎂合金
　　Mg-Al系合金具有鑄造性能良好、生產成本較低等優(yōu)點，但合金的室溫、高溫力學性能較低、耐熱性差，限制了其應用。Mg-Al合金中存在基體均勻分布的連續(xù)析出相和以層片狀分布于晶界的非連續(xù)析出相，然而形貌粗大的非連續(xù)析出相惡化了合金的力學性能。添加RE元素后，可以抑制非連續(xù)相的析出，提高Mg-Al系鎂合金的高溫力學性能，目前已經開發(fā)的含稀土元素Mg-Al系合金有AZ合金、AS合金、ACM合金等。
　　Zhang等在AZ61合金中加入稀土Sm后，合金的鑄態(tài)組織包括Al2Sm和Mg17Al12相，稀土合金化后晶粒細化效果顯著，經過熱處理后，添加了2%Sm的合金力學性能得到提高。Wang等探究了微量Gd對鑄態(tài)AZ91合金組織和力學性能的影響，添加Gd后，合金中形成Al8Mn4Gd相，作為非均勻形核的質點，Mg17Al12相被顯著細化，隨著Gd含量增加，合金的抗拉強度和伸長率提升顯著，當Gd含量在0.5%時，合金的鑄態(tài)性能優(yōu)異。陳雷和Wang等在AZ80合金中加入Nd后，粗大連續(xù)的Mg17Al12相轉為細小和斷續(xù)分布，合金中形成了桿狀Al11Nd3相和塊狀Al2Nd相，稀土相顯著延遲了峰時效時間，熱處理后屈服強度顯著提高。
　　在鎂合金中添加不同的稀土元素會降低彼此在鎂基體中的固溶度，改善析出相形貌，合金的強化效果增強。Jiang等在AZ80合金中復合添加了稀土Nd和Gd，隨著Gd的添加，合金中Al11RE3相逐漸向Al2RE相轉變，繼續(xù)添加Gd后，稀土相發(fā)生團聚，導致合金性能下降。
　　AS系合金具有較好的力學性能和蠕變性能，不過隨著Si含量增加，基體中會形成粗大的Mg2Si相，降低合金的力學性能。朱文杰等研究了Ce對Mg-5Al-2Si力學性能的影響，合金鑄態(tài)組織中出現(xiàn)Al11Ce3、CeSi2相，隨著Ce含量的增加，CeSi2相逐漸增加，Al11Ce3相逐漸減少，Ce的添加有效細化了Mg2Si相的尺寸、形貌、分布，當Ce添加量為0.4%時，鑄態(tài)合金的室溫力學性能最佳。LIU等在Mg-7Al-1Si合金中復合加入了0.5%Gd和0.5%Ca后，合金表現(xiàn)出最小的蠕變比，原因是Gd的加入形成了Al2Gd相，Mg17Al12相減少，同時Mg2Si相細化，提高了合金的蠕變性能。表1為部分Mg-Al系合金力學性能及其強化相。

表1　部分Mg-Al系鎂合金力學性能與強化相

1.2　Mg-Zn-RE 系合金
　　Zn在鎂中最大固溶度為6.2%，固溶度隨溫度的降低而下降，是Al之外十分有效的合金化元素，具有
　　固溶和時效雙重強化作用。Mg-Zn合金析出序列為：SSSS（過飽和固溶體）→GP區(qū)→β′1（Mg4Zn7）→β′2（MgZn2）→β（MgZn或Mg2Zn3）。Nie研究了Mg-Zn合金中不同析出相對基面滑移的阻礙作用，根據(jù)圖1所示，時效析出的柱面盤狀析出相強化效果最好，桿狀相次之，基面盤狀相強化效果最差。

圖1　Mg-Zn合金不同析出相類型示意圖

　　在M g - Z n 合金中添加稀土元素可以提高合金的鑄造性能和蠕變抗力， Z M 2 合金就是在（Zn=3.5%~5.0%，Zr=0.5%~1.0%）基礎上添加0.7%~1.7%Ce。代曉騰等研究了不同Ce含量的Mg-6Zn合金在熱處理下的組織變化影響，隨著Ce含量的增加，Mg-Zn相形成受到抑制，MgZnCe相逐漸增多，固溶處理后Mg-Zn相完全固溶，Ce5（Mg，Zn）41相轉變?yōu)镸g17Ce2相，時效處理后Zn原子再以MgZn、MgZn2相形式析出，第二相種類仍為Mg17Ce2相。Wang等研究了在Mg-4.2Zn-0.7Zr合金中添加了1.5%富Ce混合稀土的組織和力學性能的影響，合金在325 ℃時效10 h熱處理后，細小致密的短棒狀β′1相在晶粒內部析出，合金的力學性能提高，其抗拉強度、屈服強度、伸長率分別達到247 MPa、159 MPa、15.6%。
　　章繼濤發(fā)現(xiàn)在Mg-5Zn-0.6Zr鎂合金中添加稀土Gd后，粗大的網狀MgZn2相顯著細化，形成了2~5 μm細小彌散分布MgZnGd相，阻礙位錯運動，性能得到提升；當Gd的添加量在1%時，力學性能最優(yōu)，抗拉強度和伸長率分別達到223 MPa和7.6%。
　　不同稀土元素添加到Mg-Zn系合金中，RE元素之間會發(fā)生置換，提升合金性能，趙永成等在Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr合金中分別添加了1%、2%、3%的稀土Sm，Sm分別置換了Mg3Y2Zn3和Mg3YZn6中的Y，形成Mg3（Y、Sm）3Zn3和Mg3（Y、Sm）Zn6相，并主要存在于后者中，當Sm添加量2%時，相比沒有添加Sm合金，其抗拉強度和伸長率提高15%以上。白雪探究了Nd對Mg-6Zn-1.5Y-0.8Zr合金影響，與添加Sm相似，添加Nd同樣置換了Mg3Y2Zn3和Mg3YZn6中的Y，形成Mg3（Y、Nd）2Zn3和Mg3（Y、Nd）Zn6相，但主要存在于前者中，相比沒有添加Nd的合金，抗拉強度和伸長率提高了25%以上。
1.3　Mg-RE 系合金
　　Mg-RE系合金是開發(fā)高性能鎂合金的重要方向，RE元素在鎂合金中固溶度越大，強化效果越明顯，Nd、Y、Gd在鎂中的固溶度依次增大。Mg-Gd系合金的時效析出有4個階段：α-Mg→β″（DO19）→β′（COBC）→β1（FCC）→β（FCC）。周麗萍等探究了Mg-12Gd合金的時效析出行為，主要析出相為β′相，隨著時效時間的增加，析出相的尺寸增長速度減慢，合金的硬化效果先增強后減弱，在225 ℃時效16 h后，在該溫度下合金的強化效果最佳。Mg-Gd系合金中同時添加多種稀土元素對合金的強化效果提升顯著，例如GN、VW合金。VW合金是利用稀土Y代替部分Gd，時效過程中析出大量的β′相，合金的抗拉與屈服強度顯著提高，但該合金的伸長率較低。GN合金是利用輕稀土Nd代替部分Gd，時效過程中析出DO19結構的β″相，合金硬化效果顯著，但韌性下降，相比VW合金，其屈服強度較低。Mg-Y系合金強化原因同樣是DO19結構的β″亞穩(wěn)相形成，其典型商業(yè)牌號有WE43等。
　　在Mg-RE系合金中加入少量Zn可以提高合金伸長率，改善鎂合金的焊接性能。ZM6（Nd=2.0%~2.8%，Zn=0.2%~0.7%，Zr=0.4%~1.0%）是具有代表性的Mg-Nd系鑄造鎂合金。艾江探究了Nd對ZM6合金力學性能的影響，添加Nd后合金組織得到細化，晶界上析出Mg12（Nd、Zn）相，隨著Nd的增加，合金的硬度和抗拉強度增加，當Nd含量超過3%時，室溫抗拉強度開始下降。Zhan等在Mg-2.6Nd-0.5Zn-0.5Zr合金中加入1.5%Gd后，Mg12Nd相的熱穩(wěn)定性提高，合金經固溶時效處理后，晶內析出相明顯增多，繼續(xù)添加到4.5%Gd，合金組織中出現(xiàn)Mg12Gd、Mg3Gd相，在530 ℃固溶8 h后，大部分共晶相已固溶到基體中，在205 ℃時效16 h后，析出尺寸大約為0.5~3.0 μm的強化相，其尺寸比鑄態(tài)合金更細小，力學性能顯著提高。
　　Xie等研究了Gd對Mg-3Nd-0.2Zn-0.5Zr合金組織性能的影響，隨著Gd含量增加，合金中時效析出帶增多，β″析出相的長徑比增加、體積分數(shù)增大，如圖2所示，合金性能顯著提高。表2為部分Mg-RE系合金的力學性能數(shù)據(jù)。

表2　部分Mg-RE系合金力學性能

圖2　TEM透鏡下合金200 ℃時效16 h的基體析出相

　　Mg-RE合金中添加一定量Zn元素后，合金的力學、耐熱性能得到提高。M. Matsuda等在Mg-1Zn-2Y合金快速凝固中發(fā)現(xiàn)了長周期堆疊順序（LSPO）結構，在LPSO結構中存在4種類型堆疊結構10H、14H、18R、24R。Zn元素可以促進LPSO相的形成，同時也是β系列沉淀相顆粒組成元素，時效時LPSO相結構阻礙β相粒子長大，當β系列沉淀顆粒和LPSO相共存時，鎂合金的力學性能和耐蝕性進一步提高。孟嬌等研究了Zn對Mg-Gd-Zn-Zr合金組織與性能的影響，隨著Zn含量增多，LPSO相的體積分數(shù)也增加，合金性能開始下降，但抗蠕變性能仍高于WE54合金，其制備的Mg-11Gd-1Zn-0.5Zr鑄造鎂合金抗拉強度達到416 MPa，伸長率為7.1%。胡捷研究了不同Y的含量對Mg-10Gd-1Zn-0.5Zr鎂合金組織與力學性能的影響，添加Y后，合金中形成的第二相增多，同時Y可以成為異質結晶核心，阻礙晶粒的長大，當Y添加量從1%增加到2%時，合金中粗大的條狀Mg5（Gd、Y、Zn）、片層狀的Mg12（Gd、Y）Zn和LPSO相減少，魚骨狀的LPSO相阻礙了晶粒的長大，顆粒狀的Mg24（Gd、Y、Zn）5相增多，合金抗拉強度、屈服強度分別從229 MPa和166 MPa提高至237 MPa和189 MPa。孟令剛研究發(fā)現(xiàn)Y/Zn比小于2.3時，鑄態(tài)下晶界處第二相全部轉為具有LPSO結構的Mg10（Gd、Y）Zn相，Mg-5Gd-2Y-2Zn-0.5Zr獲得優(yōu)異的高溫抗拉強度240 MPa，比同等稀土含量的WE43提高近30 MPa。Nd在Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中抑制了LPSO相的形成，LPSO相的體積分數(shù)和β相顆粒析出數(shù)量減少，合金性能得到強化。Zhang等發(fā)現(xiàn)在Mg-8Gd-5Y-2Zn-0.5Zr合金中添加Nd可提高固溶和時效態(tài)力學性能，隨著Nd含量增加，晶粒尺寸先減少后增大，LPSO相顯著減少，Mg5（Gd、Y、Zn）相增加，當Nd含量為0.5%時，合金的綜合力學性能達到最優(yōu)，其抗拉強度、屈服強度、伸長率分別達到308 MPa、252 MPa、5.3%。
2　稀土對鑄造鎂合金強化作用機制
2.1　細晶強化
　　金屬晶體是由許多晶粒組成的多晶體，單位體積內的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細，當細晶粒受到外力作用后塑變較分散，塑變較均勻，應力集中較小，而且晶粒越細晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展，通過細化晶粒可以提高金屬材料力學性能。
　　細化晶粒對提高合金強度和塑性有重要意義，屈服強度與晶粒尺寸之間有重要聯(lián)系。根據(jù)霍爾佩奇公式：
　　σs = σ0 + Kd-0.5　 　（1）
　　式中：σs為屈服強度，MPa；σ0為單晶體的屈服強度，MPa；K為Taylor系數(shù)；d為晶粒尺寸，mm。例如在Mg-Al系合金中加入Gd、Sm、Nd、Ce等稀土元素后，晶粒尺寸顯著細化，性能顯著提高。Bonnah在 AZ91合金復合添加1.5%Sm和0.8%Ca后，鑄態(tài)晶粒尺寸由239 μm降至66 μm，鑄態(tài)組織顯著細化。吳安如等在AZ91合金中加入0.5%Ce后，晶粒細化效果顯著，晶粒尺寸由108 μm減小到42 μm。表3所示為常用稀土元素添加后對Mg-Al合金的晶粒細化效果。

表3　稀土對Mg-Al系合金晶粒細化效果

2.2　熱處理強化
　　合金元素固溶到α-Mg基體中時，其原子半徑和彈性模量與基體元素存在差異，基體會產生點陣畸變，阻礙位錯運動，稱為固溶強化。當合金元素在基體的固溶度隨溫度變化時，便從基體中析出強化相，也稱為時效強化。鑄造鎂合金時效處理后，合金強度得到提高，伸長率有所降低，時效強化效果與析出相尺寸、形態(tài)、體積分數(shù)、硬度及與基體的共格位向關系有關。張玉研究了新型Mg-6Zn-2Sm-0.4Zr合金的熱處理工藝，經450 ℃固溶保溫28 h后，晶界處共晶相逐漸溶解，晶粒尺寸隨著固溶時間增加明顯上升，200℃時效保溫過程力學性能隨著保溫時間增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，12 h時達到峰時效，抗拉強度達258 MPa、伸長率為14.4%。Gu等研究了雙級時效熱處理工藝對EV31合金組織性能的影響，與200 ℃單級時效相比，雙級時效保溫時間由16 h降至2 h，析出相尺寸減少50%，析出密度增加一倍，如圖3所示，抗拉強度由273 MPa增至288 MPa，伸長率由4.9%升至6.6%。

圖3　時效處理下β′相分布的STEM像

2.3　彌散強化
　　合金熔體在凝固時會析出彌散分布的高熔點化合物相，在晶粒內呈彌散質點或粒狀分布，在塑性和韌性下降不大前提下，可顯著提高合金的強度和硬度，且顆粒尺寸越細小、分布越彌散均勻，強化效果越好，是一種有效的材料強化手段。根據(jù)Orwan位錯強化機制，在發(fā)生塑性變形時，位錯線不能直接切割第二相粒子，但在外力作用下位錯線可以繞過第二相粒子形成大量位錯環(huán)，位錯不斷增殖，位錯數(shù)量和密度顯著增加，位錯影響區(qū)的晶格畸變能大幅提升，位錯運動阻力增加，材料得到有效強化。通過控制彌散相的形貌、尺寸、數(shù)量，可有效提高合金的力學及耐熱性能。
　　3　總結與展望
　　（1）Mg-Al系鑄造合金高溫性能差，易產生縮松、熱裂等缺陷，可通過控制合金析出相種類及數(shù)量，研究析出相組織形貌、分布與熱處理工藝對Mg-Al系鑄造合金組織性能的影響，分析單相稀土與復合稀土添加對合金微觀組織與耐熱性能的影響，擴大Mg-Al系鑄造合金應用范圍。
　　（2）Mg-Zn系鑄造合金添加RE元素可顯著細化晶粒尺寸，改善合金力學性能，但單一的熱處理工藝未能將稀土元素的有益添加效果進行充分發(fā)揮；添加復合稀土元素并結合系統(tǒng)地精密熱處理工藝，可在顯著提高合金材料力學性能、高溫性能，明顯改善鑄態(tài)微觀組織的基礎上，大幅降低生產成本，縮短制造周期。
　　（3）Mg-RE系鑄造合金高含量RE元素的添加加劇了偏析缺陷的發(fā)生，選用復合稀土添加工藝結合合金成分與凝固冷速調控，在Mg-RE系合金中形成有益的LPSO相可顯著提高合金的綜合力學性能；構建出Mg-RE系鑄造合金組織-成分-性能共步協(xié)控耦合模型，為高強高韌耐熱耐蝕Mg-RE系鑄造合金及產品開發(fā)提供工藝支撐。
來源：《鑄造》雜志202304期
免責聲明：本文系網絡轉載，版權歸原作者所有。僅標明轉載來源，如標錯來源，涉及作品版權問題，請與我們聯(lián)系，我們將在第一時間協(xié)商版權問題或刪除內容。內容為原作者個人觀點，并不代表本公眾號對其真實性負責。