高性能稀土镁合金研究与应用研究

廖 军，杨心伟

（赣州晨光稀土新材料股份有限公司，江西 赣州 341200）

镁是重要的金属资源，在我国储量丰富。镁合金具有诸多优点，如比重轻、比强度高、易加工成型，还能够进行废料再利用，因此在当前的节能环保发展政策形势下受到越来越多人士的关注，并表现出显著的应用优势。目前，镁合金已经成为越来越多新型产业的重要材料，发挥着愈发重要的作用。近年来，镁合金的生产技术逐渐向着绿色化、轻量化的方向发展，稀土元素被应用于镁合金材料生产制造中。

1 稀土元素在镁合金中的作用

传统的镁合金材料在性能方面存在不足，如强度不高、耐腐蚀性弱、耐热性能差等，这些性能不足对于镁合金应用领域的扩大十分不利。对镁合金采用稀土元素进行处理，能够起到很好地微合金化作用，通过改变传统镁合金的内部微观结构来更好地提升镁合金的性能。

2 稀土镁合金技术

高强高韧镁合金：当Ce的质量分数为0.5%时，AZ31镁合金的抗拉强度为255MPa，屈服强度为168MP，表现良好[1]。稀土元素Nd与合金中的铝反应生成铝-钕化合物，这种化合物在镁合金中均匀分布，抑制了β-Mg17Al12形成，使镁合金强度提升，在强度几乎不发生变化的情况下，低温条件下镁合金的塑性、韧性均得到提升。当稀土Ce的质量分数不同时，对改变AZ61A镁合金的微组织结构也不同，从而对镁合金的力学性能造成不同影响。研究人员发现，当Ce的质量分数为1.0w.t%时，AZ61A镁合金的微组织结构更均匀，产生的Al4Ce熔点更高，并且能够抑制β-Mg17Al12的形成。产生的Al4Ce分布在镁合金晶界周围，阻止位错运动，因此使镁合金的力学性能得以改善。当Gd、Nd两种稀土元素加入量在2%时，AZ镁合金的力学性能发生了改变。在加入两种稀土元素后，AZ镁合金晶体晶粒生长受到抑制，同时晶核得到再激发，促进了镁合金晶核再次结晶，表现出细晶强化的作用。由于Gd、Nd与铝元素生成的化合物相能够阻止位错运动，因此对提高镁合金的屈服强度很有利。对稀土元素的加入量进行试验，结果表明当Gd、Nd元素的加入质量分数分别为2%时，镁合金的抗拉强度表现最佳。在AZ91镁合金中加入Nd、Ce稀土元素，AZ91镁合金、Nd、Ce的质量比为97.5：1.0：1.5时，镁合金的其抗拉强度为240MPa，伸长率为11%，表现出优异的力学性能。在AZ91镁合金中加入Ca、Ce、Sr时，三者加入的质量分数均为0.2%，得到的镁合金硬度、屈服强度、抗拉强度均较未加入时显著提升[2]。从研究结果看，复合加入稀土元素，镁合金的性能效果整体优于稀土元素单一加入得到的性能效果。

耐腐蚀镁合金：耐腐蚀性不佳是传统镁合金的重要缺陷。通过加入微量稀土元素，改变镁合金腐蚀层结构，从而阻碍镁合金电化学腐蚀反应进程。另外，稀土元素的加入还能对镁合金表层进行净化，减少表层活性点，从而对镁合金表层起到腐蚀钝化的作用。研究发现，AZ91镁合金表面加入Ce元素能够使镁合金表面腐蚀电阻大大增加，腐蚀速率从1.85mg/m2·s降低到0.876mg/m2·s。AZ31镁合金加入Nd和Ce两种稀土元素，镁合金中生成的β-Mg17Al12均匀分布，使AZ31镁合金的腐蚀速率降低了50%左右。对AZ91镁合金进行Ce元素处理，加入稀土元素的镁合金在微观结构上表现出断续和分散的相态。这种相态的存在是镁合金的组织结构分布更加均匀。对上述稀土元素处理的镁合金进行腐蚀试验，结果表明，当浸泡溶液为氯化钠（质量浓度为3.5%）时，处理后的镁合金比未经处理的镁合金在腐蚀电位值上明显升高，这可能是由于镁合金的氧和铝元素在镁合金表面形成了氧化膜，从而增强了镁合金的耐腐蚀性。研究人员对AZ92镁合金进行了试验，在镁合金中加入质量分数为0.5%的Sm，经过Sm元素处理后的镁合金比未经处理的镁合金在腐蚀性能方面表现更好，经过稀土元素处理后的样品腐蚀速率是未经处理的样品的42%。在AZ80镁合金样品中使用Y稀土元素进行处理，结果发现，镁合金中的β-Mg17Al12相数量显著减少，对上述经过Y处理后的镁合金样品进行腐蚀试验，发现当Y质量分数为0.5%时，经过处理后的样品腐蚀速率是未经处理样品的48%。从多个研究试验结果看，稀土元素在镁合金中的加入量控制在合理范围内时，可实现改善镁合金耐腐蚀性能的效果[3]。

耐热镁合金：航天领域以及汽车领域中对于镁合金的耐热性能要求较高，传统镁合金经过稀土元素处理后往往可以表现出更优越的耐热性能。稀土元素处理后的镁合金能够表现出很强的沉淀作用，因此对于镁合金的晶界和相界扩散性和渗透性有较大的影响，晶界和相界扩散力减弱，渗透性减小，有利于改善镁合金的力学性能。传统镁合金表面氧化物容易出现缺陷集中的问题，再使用稀土元素对镁合金进行处理后，能够通过提高镁合金的耐高温性，改善其表面抗氧化性能，从而很好地解决上述缺陷问题。在Mg-10Y合金中加入Sm元素，镁合金的抗拉强度得到明显改善，其中，当Sm的加入质量分数为0.5%时，改善效果最佳。此外，研究人员对上述稀土元素处理后的镁合金进行耐热性能试验，结果表明处理后的镁合金样品耐热温度从250℃提高到350℃。在镁合金中加入RE元素，促使合金中的Al元素和RE元素形成Al11RE3，有效阻止Mg17Al12的生成，阻止了镁合金晶界位移，对稳固晶界有积极的作用。同时，形成的Al11RE3具有1200℃的熔点，使镁合金的耐热稳定性有效提升。在Mg-9Al-2.25Sr合金中加入Y元素，能够是镁合金的抗拉强度得到显著改善，当Y元素加入的质量分数为0.35%时，处理后的镁合金样品表现出优异的综合力学性能，在200℃温度下，镁合金抗拉强度为192.5MPa，屈服强度为134.8MPa。在耐热性能技术研究中，采用稀土元素Y是对镁合金耐热性能效果改善最明显的稀土元素，经过Y元素处理后的镁合金，耐热温度可达到300℃，而且处理后的镁合金还具有良好的耐腐蚀性和力学性能，在研究和应用中越来越普遍。此外，Gd、Sm、Nd等稀土元素在改善镁合金的耐热性能方面也有较多研究，同样有积极效果[4]。

3 稀土镁合金应用及问题

稀土元素的加入有效改善了镁合金的综合性能，促使其在越来越多的领域得到应用。

汽车行业的应用：新能源汽车产业在近年得到快速发展，整个汽车行业已经进入到低能耗、轻量化的发展通道。目前，稀土镁合金已经覆盖到汽车制造工业中生产过程中，在多个零部件中应用，应用的稀土镁合金类型包括AZ91X、Mg-Gd-Y、MB26等。随着汽车市场消费观念的改变，汽车的安全性和舒适性要求不断提升，在汽车安全装置的改进方面，稀土镁合金也发挥出积极作用。如安全气囊、ABS、内饰的增加必须通过零部件材料综合性能的优化和重量的轻量化补偿来实现。在汽车座椅的质量性能优化过程中，通过采用AM50、AM20等稀土镁合金实现了焊接钢构件数量的减少，在保证汽车良好抗震动性能的基础上，提升了汽车座椅的舒适性。随着汽车行业中稀土镁合金的技术应用，汽车的整体重量大大减少，整车车重可减少11%～15%，汽车能耗可减少7%～10%，碳排放量降低约5g/km。

交通行业的应用：高铁和轻轨是现代交通的重要方式，高速度、重载、低能耗是轨道交通技术研究的重点。稀土镁合金材料在该领域中也有较好的应用效果。如在轻量化目标的实现过程中，西门子公司采用稀土镁合金制作列车座椅、框架。我国轻轨列车中，采用稀土镁合金制作列车座椅骨架、扶手、窗户栏杆、行李架、空调格栅、仪表框架等部件，很好地为列车车身减重，不仅增强了列车动能，而且降低了单位能耗。常用的稀土镁合金有AZ61A、AZ31B、AZ91D、AM60B、ZK60等。

航空及军事行业的应用：稀土镁合金技术应用为航空设备性能和成本带来了有益的改进。我国神州6号飞船中的电器外箱均采用MB26稀土镁合金制作，有效减轻整体重量。采用稀土镁合金制备直升机中的变速装置，使直升机旋翼的上升动力得到提升。航空领域以及军事领域中很多设备及部件对于耐腐蚀性、耐高温性能要求很高，稀土镁合金的出现给这些领域带来了福音。WE型镁合金被应用在发动机齿轮箱和变速系统中，在座椅、机舱顶棚等部件中也有应用。军事武器中的轰炸机、雷达、导弹、火箭、卫星等装备中也有稀土镁合金的应用并表现出积极效果。

计算机、通信和电子行业的应用：传统的通信电子产品体积大，重量大，已经不符合现代消费者的需求。用稀土镁合金材料替换通信电子产品外壳，使电子产品的质量更轻、外形更薄、体积更小。原来的通信电子产品外壳采用的是PC材料、ABS材料等，在电磁波防干扰方面表现不理想，由于稀土镁合金具有优良的金属屏蔽防电磁干扰性能，而且比强度更好，还具有优异的耐腐蚀性和力学性能，在现代通信电子行业中应用日益普遍。

目前，我国高性能稀土镁合金材料研究和开发以及实际应用方面仍旧与国外发达国家有差距，还不够成熟。尤其是稀土镁合金的作用机理方面存在争论，如稀土镁合金中轻稀土和重稀土元素是如何实现交互作用的；稀土元素和杂质元素之间是否存在交互作用；抑制元素的偏析、净化以及变质作用的机理如何，LPSO结构的作用机理，沉淀硬化和析出强化的作用机理等，这些都需要业内人士继续进一步研究。

目前研究的主要问题包括：如何进一步通过改进成型制备及熔体净化工艺，降低合金化过程中杂质的含量，提高稀土镁合金的强度及韧性等性能；对稀土元素改善镁合金高温抗蠕变性能的作用机理进一步研究；对稀土元素改善镁合金室温塑性变形性能的作用机理进一步研究；围绕稀土镁合金耐腐蚀性能的提升，对表面处理技术进行改进；开发低成本稀土镁合金，降低使用成本等。

随着新兴产业的崛起，生产出具有高强度、良好延展性以及多样化力学性能的稀土镁合金是当下及未来研究的重要方向之一，这也是满足不同结构材料需求的应用趋势。内蒙古包头稀土研究院开发了的稀土镁锆合金晶粒细化剂，锆颗粒尺寸低于600nm。未来，稀土镁合金材料将朝着板、管、棒等多种形状的系列化方向发展，同时在更复杂延展性和形变性方面将有较大的发展空间。

4 结语

稀土镁合金的整体性能远远优于传统镁合金，使其在汽车、航空航天、军事、轨道交通、通信电子等领域内发挥出越来越重要的作用。未来，随着微合金技术、多元合金技术及成型工艺技术的不断发展，稀土镁合金的强韧化、高温耐腐蚀和抗蠕变性能等作用机理研究将更加深入，合金体系不断增加，在提升镁合金性能指标的同时，生产成本将逐步降低，这将为稀土镁合金的普及应用创建有利条件。