稀土镁合金的研发及应用现状

●程子洲 赵莉萍 王小青 胡文鑫/文

（作者单位：1.内蒙古科技大学;2.包头稀土研究院）

镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度高、比刚度高、减震性高、易加工、易回收等优点，在航天、军工、电子通讯、交通运输等领域有着巨大的应用市场，特别是在全球铁、铝、锌等金属资源紧缺的大背景下，镁的资源优势、价格优势、产品优势得到充分发挥，镁合金成为一种迅速崛起的结构材料。面临国际镁金属材料的高速发展，我国作为镁资源生产和出口大国，对镁合金开展深入研究工作意义重大。然而目前普通镁合金强度偏低、耐热耐蚀等性能较差仍然是制约镁合金大规模应用的瓶颈。

稀土元素由于具有独特的核外电子结构，作为一种重要的合金化元素，在冶金、材料领域起着独特的作用，例如净化合金熔体、细化合金组织、提高合金力学性能和耐腐蚀性能等。作为合金化元素或微合金化元素，稀土已经被广泛应用于钢铁及有色金属合金中。在镁合金领域，尤其是在耐热镁合金领域，稀土突出的净化、强化性能逐渐被人们认识与把握，稀土被认为是耐热镁合金中最具使用价值和发展潜力的合金化元素。我国的镁资源和稀土资源特别丰富，近年来国内科研工作者依托这两大资源优势，对含稀土镁合金的研究逐渐系统和深入，致力于开发低成本、高性能的新型稀土镁合金，对镁合金材料及稀土材料的发展起到极大地推动作用。稀土不仅是镁行业提升产品性能，打造特色、高端产品必不可少的重要元素，也是其向高端产能转换，提高产品附加值，提升产业链水平的突破口。

一、稀土在镁合金中的主要作用

1.熔体净化作用

稀土元素在镁合金熔体中具有除氢、除氧、除硫、除铁、除夹杂物的作用，达到除气精炼、净化熔体的效果。轻稀土元素化学活性比重稀土元素高，因此轻稀土元素的除杂能力一般比重稀土元素要好。

2.熔体保护作用

镁合金在熔炼过程中极易氧化燃烧，目前工业生产镁合金一般采用熔剂覆盖或气体保护法熔炼，但都存在不少缺点，如果能够提高镁合金熔体自身的起燃温度则有可能实现镁合金大气下直接熔炼，这对镁合金进一步推广应用意义重大。稀土是镁合金熔体的表面活性元素，能够在熔体表面形成致密的复合氧化物膜，有效阻止熔体和大气的接触，大大提高镁合金熔体起燃温度。

3.细晶强化作用

稀土元素在固液界面前沿富集引起成分过冷，过冷区形成新的形核带而形成细等轴晶，此外稀土的富集使其起到阻碍α-Mg 晶粒长大的作用，进一步促进了晶粒的细化。根据Hal1-Petch 公式，合金的强度随晶粒尺寸的细化而增加，并且相对体心立方和面心立方晶体而言，晶粒尺寸对密排六方金属强度影响更大，因此镁合金晶粒细化产生的强化效果极为显著。细化作用方面铈最常用，但钇的细化作用也很明显，对于不同种类的镁合金，各稀土元素的细化效果不一样。

4.固溶强化作用

大部分稀土元素在镁中具有较高的固溶度，稀土元素溶入镁基体中，增强原子间的结合力，使基体产生晶格畸变。稀土元素固溶强化的作用主要是减慢原子扩散速率，阻碍位错运动，从而强化基体，提高合金的强度和高温蠕变性能。重稀土元素固溶强化和时效沉淀强化效果一般比轻稀土元素好，但轻稀土元素更易富集于晶界，形成高熔点金属间化合物。因此轻稀土元素的晶界强化效果一般比重稀土元素要好，轻稀土元素和重稀土元素组合有望发挥出稀土元素的最佳效果。

5.弥散强化作用

稀土与镁或其他合金化元素在合金凝固过程中形成稳定的金属间化合物，这些含稀土的金属间化合物一般具有高熔点、高热稳定性等特点，它们呈细小化合物粒子弥散分布于晶界和晶内，在高温下可以钉扎晶界，抑制晶界滑移，同时阻碍位错运动，强化合金基体。

6.时效沉淀强化作用

稀土元素在镁中所具有的较高固溶度随温度降低而降低，当处于高温下的单相固溶体快速冷却时，形成不稳定的过饱和固溶体，经过长时间的时效，则形成细小而弥散的析出沉淀相。析出相与位错之间交互作用，提高合金的强度。

二、稀土对镁合金性能的提高

1.提高镁合金力学性能

稀土的添加通过细晶强化、固溶强化、弥散强化及时效沉淀强化（其中的一种或几种强化机制）提高镁合金的力学性能，特别是高温力学性能，使得稀土镁合金成为高温抗蠕变、高温高强镁合金的重要研发方向。

2.提高镁合金耐蚀性能

稀土元素能够与镁合金中有害杂质（如铁、镍等）结合，降低它们的强阴极性作用，并且能够优化合金组织结构，抑制阴极过程，从而提高合金基体的耐蚀性能。此外，稀土的加入使合金表面生成更加致密的腐蚀产物膜，抑制合金的进一步腐蚀，因此稀土能够有效地提高镁合金耐腐蚀性能。

3.提高镁合金耐摩擦磨损性能

稀土元素与氧、硫等杂质元素有较强的结合力，抑制了这些杂质元素引起组织疏松的作用。在熔炼过程中，稀土元素能与水气和镁液中的氢反应，生成稀土氢化物和稀土氧化物以除去氢气，减少气孔、针孔及缩松等铸造缺陷，提高了铸件质量，减少了在摩擦过程中裂纹源的产生；稀土元素还可以净化晶界，增加晶界强度，使裂纹不易在晶界处产生；在材料摩擦过程中，磨损表面不可避免会发生温度升高，在大气环境中，几乎无法避免氧化作用的影响，摩擦表面的氧化物层对摩擦磨损起着非常重要的作用。稀土元素在氧化物膜与基体界面发生了偏聚，提高了氧化物膜的粘着力，细化了膜的组织，有助于提高膜的耐磨性和抗剥离能力，这样形成的氧化物膜比较稳定，增强了稀土镁合金的承载能力。

三、稀土镁合金的研发动向

1.铸造稀土镁合金

传统的镁合金耐热、抗高温蠕变等性能较差，通常只能用于120℃以下的场合，达不到交通工具发动机和传动部件需要耐温150℃～200℃、250℃甚至更高的要求，从而限制了它的应用。围绕着提高铸造镁合金的力学、耐腐蚀、耐高温、抗蠕变等性能，研究人员对稀土作为镁合金添加剂或合金元素的作用进行了大量研究，取得了瞩目的成绩。

2.快速凝固稀土镁合金

快速凝固工艺的原理适于改进镁合金的力学性能。由于冷却速率相当快，可获得在传统铸造工艺条件下得不到的铸件成分、相结构，如晶粒细小、无偏析、过饱和固溶、亚稳相、化合物细小弥散等。快速凝固是最新发展的一类制备高性能材料的先进技术，使镁合金的开发进入一个崭新的领域。

快速凝固技术的三大类（雾化、流铸和原处熔化）都可以用于镁合金的生产。目前最具代表性的是RSP-Mg-A1-Zn 基合金。在该类合金基础上加入3%～5%稀土元素，可产生附加弥散硬化效应，降低腐蚀趋势，并进一步提高合金蠕变抗力。此外，以稀土元素为主的雾化喷射沉积Mg-Nd-Mn 合金在室温及高温下均具有优良的抗拉强度和耐蚀性。因此，采用快速凝固技术对开发优质含稀土的镁合金有巨大的潜力。

3.变形稀土镁合金

变形稀土镁合金比铸造镁合金具有更高的强度、更好的塑性。研究表明镁合金在热变形后，组织得到了明显细化，铸造组织缺陷被消除，使得产品的综合力学性能大大提高。发展变形镁合金制品可使镁合金更大量地应用于结构件上，如轧制的薄板或厚板、挤压材和锻件。但由于变形镁合金的开发与研究不够充分，有关稀土对其组织性能影响的研究远不如稀土在铸造镁合金中的研究深入和充分，相关的公开专题研究报道相对较少。

4.稀土耐热镁合金

耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一。当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件（如发动机零件），在汽车等工业中得到更广泛的应用。目前世界各国含稀土铸造镁合金已占牌号总数的50%以上，稀土镁合金中稀土金属的质量分数一般在2.5%～3%。其主要机制是稀土元素使晶界和相界扩散渗透性降低，使相界的凝聚作用减慢，且第二相在整个持续时间内始终是位错运动的有效障碍，稀土元素可减少金属表面氧化物缺陷；加入稀土元素后（如Ce），能在晶界生成高熔点化合物（如MS12Ce）对晶粒起钉扎作用，从而提高合金的高温强度和蠕变强度，且稀土含量增加，合金蠕变速率降低；在镁基体中稀土元素具有较大的固溶度，随温度的下降，固溶度也降低，满足与Mg 形成时效型合金的必要条件。大多数镁稀土合金形成共晶反应，并且由于晶间热稳定性高的化合物存在，使Mg-RE 合金具有良好的抗蠕变性能，在200℃～250℃时仍具有良好的抗蠕变性能。到目前为止，稀土元素如Y、Gd 在耐热镁合金中的作用研究已取得突破性进展。

5.稀土阻燃镁合金

镁合金常用的阻燃方法为熔剂保护和SF6 混合气体保护。但相对而言，合金化阻燃是一种更理想的阻燃方法。其机理是在合金中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学反应与动力学过程，形成具有保护作用的致密的氧化膜，达到阻止合金剧烈氧化的目的。与熔剂保护和SF6 气体保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能与抗腐蚀性，消除有害气体对大气的污染。通过合金化的方法来达到阻燃目的将是镁合金熔炼阻燃的发展方向。

四、高性能稀土镁合金的研发现状

1.高性能稀土镁合金的国内研发现状

在初期的稀土镁合金研究中，由于价格昂贵，稀土镁合金主要应用于军事和航空航天领域，随着其他金属资源的日益枯竭，稀土和镁生产成本的降低，尤其是对提高镁合金高温性能的迫切需要，稀土镁合金的研究已经成为世界研究热点，含稀土镁合金正在被积极地推广应用到汽车、电子、通讯等商用领域。我国在20 世纪50年代末对稀土元素在镁合金中的应用展开研究，几十年来研究出不少有应用价值的含稀土镁合金，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 基础上用富钇混合稀土代替高品位钇的MB26。

东北轻合金加工厂研发的含Nd、含Gd 代号为122 和127 合金的2 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。

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）A1-（1～2）Zn-（0.5～2）M（M=Pr、Nd、Ce、Y）。快速凝固镁合金因其微观组织结构的均匀化和弥散沉淀相的形成，提高了合金的抗腐蚀能力，如快速凝固Mg-5A1-2Zn-2Y 合金是已知镁合金中抗腐蚀性能最高的合金。同时高性能的含Sc 镁合金也正在积极开发之中。

中国科学院长春应用化学研究所近年来对镁稀土中间合金、系列稀土镁合金进行了深入研究。目前，已开发出下沉阴极、液固组合阴极以及共电沉积电解工艺，制备出几乎所有单一稀土金属与镁组成的中间合金；采用提取贵重稀土元素后剩余的混合稀土为原料制备出富铈、富钇和铈镧与镁组成的新型低成本镁稀土中间合金。利用研制出的镁-稀土中间合金，开发出一系列适合不同使用温度的挤压变形、高压铸造、重力铸造的应用镁合金。

2.高性能稀土镁合金的国外研发现状

近年来，镁合金的研究越来越引起人们的关注，这主要是由于镁合金具有许多优良的性能。目前国外对稀土镁合金研究较多的是美国、欧洲、日本及俄罗斯，已经开发出AE、WE、EZ、EK、QE 等诸多含稀土的镁合金。

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AE 系列镁稀土压铸合金，并将WE 系列合金大规模投入应用。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。

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。含银富钕稀土QE22A 合金长期以来广泛用于飞机、导弹的优质铸件，如美洲虎攻击机的座舱盖骨架，超黄蜂直升机的前起落架外筒和轮彀等。在Mg-Zn 合金研究中，发现加入稀土元素改善Mg2Zn 合金的铸造性能和蠕变抗力，但降低抗拉性能，采取折中方案，曾开发了ZE41 及F233 合金。ZE41 有较高强度，可以用到200℃，而EZ33 合金有更高蠕变抗力，用到250℃。WE 系列合金的强度性能超过其他稀土镁合金、高温强度甚至比高温铝合金R350 的稳定性还好，已经用于赛车及航空。欧洲的稀土镁合金基础研究及其在汽车、航空航天工业中的应用同美国一样处于世界领先地位，当前欧洲正在进行Mg-Gd 合金、Mg-Tb 合金、Mg-Sc-Mn 等新型稀土镁合金研究。

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）、MClO（ZE4lA）等稀土镁合金，并积极研制汽车工业用稀土压铸镁合金。

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以及大量应用于米格23 飞机的稀土镁合金等，最近几年未见突破性研究报道。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%。

五、高性能稀土镁合金的应用

稀土镁合金的应用性能优势，主要体现在耐高温和高强度方面，通过加入稀土元素合金化，能显著提高镁合金的强度和耐热温度，国外已将耐热稀土镁合金应用到飞机蒙皮、导弹舱体、卫星空间结构件、飞船框架、发动机引擎盖、发动机汽缸体和变速箱壳体等零部件上。随着社会经济发展，在军工领域和民用领域均会有更大拓展。

1.稀土镁合金在汽车工业中的应用

高性能稀土镁合金主要用于汽车发动机壳体、变速箱壳体、发动机气缸盖等零部件中。福特、通用、戴姆勒-克莱斯勒、奔驰、大众、丰田、菲亚特-阿尔法等汽车公司纷纷采用稀土压铸镁合金。丰田汽车的方向盘加装安全气囊后质量增加，采用AM60B 压铸镁合金后，与钢制品、铝制品相比，质量减少了45%和15%，并减少了转向系统的震动。中国奇瑞汽车已100%采用镁合金方向盘，并力争实现单车镁合金达到30kg。中国一汽和中国科学院长春应用化学研究所合作开发高性能稀土镁合金，已经形成年产1500 吨镁合金压铸件（包括轮毂、发动机壳体、变速箱壳体等）的批量生产能力，建成了我国最大的高性能稀土镁合金产业化示范基地，批量生产耐热、抗蠕变的稀土镁合金汽车发动机缸盖。

表1 常用稀土镁合金性能及其应用

长安汽车通过持续实施稀土镁合金项目，掌握了镁合金材料替代后的整车和零部件结构再设计的关键技术，实现了动力总成、座椅骨架、转向盘骨架、轮毂、备胎架等稀土镁合金汽车零部件的产业化开发与应用。已开发应用于国内汽车零部件上的耐热、抗蠕变稀土镁合金有新型稀土压铸镁合金（AZ91X）、稀土高温高强镁合金（Mg-Gd-Y 系列）、稀土高强、高韧镁合金（MB26）等。国外已开发出AE、WE、OE 等系列含稀土的镁合金。目前，汽车工业中稀土镁合金用量较多的国家和地区是北美、欧洲、日本和韩国，镁合金在汽车上的应用主要取代铸铁、铝合金、塑料和钢制冲压焊接件，以压铸件为主。北美汽车压铸镁合金用量正以每年15%的速度递增。目前，压铸镁合金汽车零部件至少已超过60 种，如：汽车仪表板、座椅骨架、转向盘和转向柱、发动机气缸盖、变速箱壳体、离合器壳体、进气歧管、轮毂、门框等。汽车轻量化是节能减排的重要手段，同时，由于对汽车安全性和舒适性要求的不断提高，需要增加安全装置，如ABS、安全气囊，内饰也更高级，这也要靠汽车轻量化来补偿。奔驰采用AM20和AM50 压铸镁合金座椅骨架，质量较冲压焊接钢结构件减少，并减少了震动，增加了舒适性。目前，国外单辆汽车镁合金用量达到40kg。随着稀土镁合金技术的进步和制造成本的降低，镁合金在汽车上的应用将会达到100～150kg，由此带来的汽车减重可达l0%～15%，油耗可减少6%～10%，CO2排放量减少约5g/km。

2.稀土镁合金在轨道交通中的应用

近年来，轨道交通获得长足发展，通过机车的轻量化以实现机车的高速、重载、降耗成为轨道交通研发的热点问题之一。稀土镁合金材料在机车的轻量化方面正发挥着越来越重要的作用。现阶段还不能用镁合金来制造机车的重要承载构件，只能用镁合金制造非承载构件和车辆内部承载要求不高的零部件。德国西门子公司的ICE 高速列车和法国TGV 高速列车已经开始开发应用稀土镁合金零部件，如座椅、框架等。日本新干线N700 系列高速列车座椅骨架已经采用稀土镁合金，包括座椅扶手、底座、背靠等，实现了整车减重，提升了动车组的动力性能，减少了能耗。我国也在大力推进稀土镁合金在轨道交通中的应用。目前。稀土镁合金主要用于空调通风口格栅、车窗防护栏杆、座椅安装型材和地板布安装型材、卧铺框架、行李架边框、内部仪表盘框架等零部件。机车车辆上常用的镁合金有：AZ31B、AZ61A、AZ91D、ZK60、AM60B 等。从非承载或者承载要求不高的零部件逐渐发展到承载零部件，开发高强高韧、耐疲劳和减震铁道车辆零部件，这将是未来稀土镁合金材料在轨道交通中应用的发展趋势。

自2017年下半年起，山西银光华盛镁业成功开发出镁合金精密挤压型材，已成功列装130 余列高铁车辆，近百列地铁车辆，总长度超过15 万延米。成都天智轻量化科技有限公司已经批量供应地铁列车镁合金轻量化产品。

3.稀土镁合金在航空航天和武器装备中的应用

高性能轻金属材料在航空航天和国防建设中占有十分重要的地位。航空航天器的轻量化带来的经济效益和性能改善十分显著。MD600N 直升机的变速装置采用了稀土镁合金，降低了重量，极大提高了旋翼的升力。我国神舟系列载人飞船使用稀土镁中间合金开发的MB26 镁合金制作电器箱，实现减重13kg。航空航天和武器装备上使用的材料工况条件恶劣，经常需要在振动、沙尘、腐蚀、高温等苛刻环境下服役，这使得稀土镁合金如WE43、WE54被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星和飞船上均选用了稀土镁合金构件。上海交通大学采用涂层转移精密铸造技术和JDM1 低稀土铸造镁合金结合，成功制备了某型号轻型导弹舱体和发动机机匣，满足了舱体和发动机机匣的内表面（非加工面）对光洁度的高要求；采用大型铸件低压铸造技术和JDM2 高稀土铸造镁合金结合，成功制备了某型直升机尾部减速机匣和某型号导弹壳体。

4.稀土镁合金在3C 产品中的应用

计算机、通信和消费类电子产品简称3C 产品。3C 产品的轻、薄、短、小化趋势使得稀土镁合金的应用得到推崇。传统的3C 产品外壳大都采用塑料材料（如PC、ABS、PC/ABS 等），质量虽轻但防电磁波干扰能力不如金属材质。需进行后处理，镁合金所独具的轻巧、美观、电磁屏蔽性能、良好的散热性、良好的耐腐蚀性、优异的比强度和比刚度、良好的手感等优良特性使其在3C 产品领域的应用快速崛起。目前，联想、戴尔、苹果、东芝、松下和索尼等公司生产的笔记本电脑、手机、照相机、摄像机等的外壳广泛使用稀土压铸镁合金。提高了外壳的强度和刚度。减少了电磁波对人体的辐射，其中，应用最为广泛的是AZ91D 镁合金。

5.稀土镁合金在石油化工中的应用

在石油化工中，由于镁对燃料、矿物油和碱等具有很高的化学稳定性，故所开发的阻燃耐蚀稀土镁合金可用来制造、贮存和运送这类液体的导管、箱体和贮罐。

油气田钻井开采时，压裂改造是增加低渗透油气藏的单井产量的最有效的措施，压裂工具（如压裂球、桥塞）有利于消除油井回堵现象、提高开采效率，在整个压裂过程中起着至关重要的作用。可溶性稀土镁合金具有很高的抗压强度和拉伸强度，可以在苛刻的、即插即用以及滑动套筒球座应用中保持压力具有可控的腐蚀速率，以确保其使用寿命结束后可在盐水环境中完全溶解。目前主要生产企业有福建坤孚股份有限公司、上海隆司新材料科技有限公司、兰州佰思巍信息科技有限公司、中铝郑州轻研院等。