高性能稀土鎂合金研究與應(yīng)用研究

廖 軍，楊心偉

（贛州晨光稀土新材料股份有限公司，江西 贛州 341200）

鎂是重要的金屬資源，在我國(guó)儲(chǔ)量豐富。鎂合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如比重輕、比強(qiáng)度高、易加工成型，還能夠進(jìn)行廢料再利用，因此在當(dāng)前的節(jié)能環(huán)保發(fā)展政策形勢(shì)下受到越來越多人士的關(guān)注，并表現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。目前，鎂合金已經(jīng)成為越來越多新型產(chǎn)業(yè)的重要材料，發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。近年來，鎂合金的生產(chǎn)技術(shù)逐漸向著綠色化、輕量化的方向發(fā)展，稀土元素被應(yīng)用于鎂合金材料生產(chǎn)制造中。

1 稀土元素在鎂合金中的作用

傳統(tǒng)的鎂合金材料在性能方面存在不足，如強(qiáng)度不高、耐腐蝕性弱、耐熱性能差等，這些性能不足對(duì)于鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大十分不利。對(duì)鎂合金采用稀土元素進(jìn)行處理，能夠起到很好地微合金化作用，通過改變傳統(tǒng)鎂合金的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來更好地提升鎂合金的性能。

2 稀土鎂合金技術(shù)

高強(qiáng)高韌鎂合金：當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，AZ31鎂合金的抗拉強(qiáng)度為255MPa，屈服強(qiáng)度為168MP，表現(xiàn)良好[1]。稀土元素Nd與合金中的鋁反應(yīng)生成鋁-釹化合物，這種化合物在鎂合金中均勻分布，抑制了β-Mg17Al12形成，使鎂合金強(qiáng)度提升，在強(qiáng)度幾乎不發(fā)生變化的情況下，低溫條件下鎂合金的塑性、韌性均得到提升。當(dāng)稀土Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)，對(duì)改變AZ61A鎂合金的微組織結(jié)構(gòu)也不同，從而對(duì)鎂合金的力學(xué)性能造成不同影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0w.t%時(shí)，AZ61A鎂合金的微組織結(jié)構(gòu)更均勻，產(chǎn)生的Al4Ce熔點(diǎn)更高，并且能夠抑制β-Mg17Al12的形成。產(chǎn)生的Al4Ce分布在鎂合金晶界周圍，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此使鎂合金的力學(xué)性能得以改善。當(dāng)Gd、Nd兩種稀土元素加入量在2%時(shí)，AZ鎂合金的力學(xué)性能發(fā)生了改變。在加入兩種稀土元素后，AZ鎂合金晶體晶粒生長(zhǎng)受到抑制，同時(shí)晶核得到再激發(fā)，促進(jìn)了鎂合金晶核再次結(jié)晶，表現(xiàn)出細(xì)晶強(qiáng)化的作用。由于Gd、Nd與鋁元素生成的化合物相能夠阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)提高鎂合金的屈服強(qiáng)度很有利。對(duì)稀土元素的加入量進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)Gd、Nd元素的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%時(shí)，鎂合金的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)最佳。在AZ91鎂合金中加入Nd、Ce稀土元素，AZ91鎂合金、Nd、Ce的質(zhì)量比為97.5：1.0：1.5時(shí)，鎂合金的其抗拉強(qiáng)度為240MPa，伸長(zhǎng)率為11%，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。在AZ91鎂合金中加入Ca、Ce、Sr時(shí)，三者加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.2%，得到的鎂合金硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均較未加入時(shí)顯著提升[2]。從研究結(jié)果看，復(fù)合加入稀土元素，鎂合金的性能效果整體優(yōu)于稀土元素單一加入得到的性能效果。

耐腐蝕鎂合金：耐腐蝕性不佳是傳統(tǒng)鎂合金的重要缺陷。通過加入微量稀土元素，改變鎂合金腐蝕層結(jié)構(gòu)，從而阻礙鎂合金電化學(xué)腐蝕反應(yīng)進(jìn)程。另外，稀土元素的加入還能對(duì)鎂合金表層進(jìn)行凈化，減少表層活性點(diǎn)，從而對(duì)鎂合金表層起到腐蝕鈍化的作用。研究發(fā)現(xiàn)，AZ91鎂合金表面加入Ce元素能夠使鎂合金表面腐蝕電阻大大增加，腐蝕速率從1.85mg/m2·s降低到0.876mg/m2·s。AZ31鎂合金加入Nd和Ce兩種稀土元素，鎂合金中生成的β-Mg17Al12均勻分布，使AZ31鎂合金的腐蝕速率降低了50%左右。對(duì)AZ91鎂合金進(jìn)行Ce元素處理，加入稀土元素的鎂合金在微觀結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出斷續(xù)和分散的相態(tài)。這種相態(tài)的存在是鎂合金的組織結(jié)構(gòu)分布更加均勻。對(duì)上述稀土元素處理的鎂合金進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)浸泡溶液為氯化鈉（質(zhì)量濃度為3.5%）時(shí)，處理后的鎂合金比未經(jīng)處理的鎂合金在腐蝕電位值上明顯升高，這可能是由于鎂合金的氧和鋁元素在鎂合金表面形成了氧化膜，從而增強(qiáng)了鎂合金的耐腐蝕性。研究人員對(duì)AZ92鎂合金進(jìn)行了試驗(yàn)，在鎂合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Sm，經(jīng)過Sm元素處理后的鎂合金比未經(jīng)處理的鎂合金在腐蝕性能方面表現(xiàn)更好，經(jīng)過稀土元素處理后的樣品腐蝕速率是未經(jīng)處理的樣品的42%。在AZ80鎂合金樣品中使用Y稀土元素進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎂合金中的β-Mg17Al12相數(shù)量顯著減少，對(duì)上述經(jīng)過Y處理后的鎂合金樣品進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Y質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，經(jīng)過處理后的樣品腐蝕速率是未經(jīng)處理樣品的48%。從多個(gè)研究試驗(yàn)結(jié)果看，稀土元素在鎂合金中的加入量控制在合理范圍內(nèi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)改善鎂合金耐腐蝕性能的效果[3]。

耐熱鎂合金：航天領(lǐng)域以及汽車領(lǐng)域中對(duì)于鎂合金的耐熱性能要求較高，傳統(tǒng)鎂合金經(jīng)過稀土元素處理后往往可以表現(xiàn)出更優(yōu)越的耐熱性能。稀土元素處理后的鎂合金能夠表現(xiàn)出很強(qiáng)的沉淀作用，因此對(duì)于鎂合金的晶界和相界擴(kuò)散性和滲透性有較大的影響，晶界和相界擴(kuò)散力減弱，滲透性減小，有利于改善鎂合金的力學(xué)性能。傳統(tǒng)鎂合金表面氧化物容易出現(xiàn)缺陷集中的問題，再使用稀土元素對(duì)鎂合金進(jìn)行處理后，能夠通過提高鎂合金的耐高溫性，改善其表面抗氧化性能，從而很好地解決上述缺陷問題。在Mg-10Y合金中加入Sm元素，鎂合金的抗拉強(qiáng)度得到明顯改善，其中，當(dāng)Sm的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，改善效果最佳。此外，研究人員對(duì)上述稀土元素處理后的鎂合金進(jìn)行耐熱性能試驗(yàn)，結(jié)果表明處理后的鎂合金樣品耐熱溫度從250℃提高到350℃。在鎂合金中加入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，阻止了鎂合金晶界位移，對(duì)穩(wěn)固晶界有積極的作用。同時(shí)，形成的Al11RE3具有1200℃的熔點(diǎn)，使鎂合金的耐熱穩(wěn)定性有效提升。在Mg-9Al-2.25Sr合金中加入Y元素，能夠是鎂合金的抗拉強(qiáng)度得到顯著改善，當(dāng)Y元素加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%時(shí)，處理后的鎂合金樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在200℃溫度下，鎂合金抗拉強(qiáng)度為192.5MPa，屈服強(qiáng)度為134.8MPa。在耐熱性能技術(shù)研究中，采用稀土元素Y是對(duì)鎂合金耐熱性能效果改善最明顯的稀土元素，經(jīng)過Y元素處理后的鎂合金，耐熱溫度可達(dá)到300℃，而且處理后的鎂合金還具有良好的耐腐蝕性和力學(xué)性能，在研究和應(yīng)用中越來越普遍。此外，Gd、Sm、Nd等稀土元素在改善鎂合金的耐熱性能方面也有較多研究，同樣有積極效果[4]。

3 稀土鎂合金應(yīng)用及問題

稀土元素的加入有效改善了鎂合金的綜合性能，促使其在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

汽車行業(yè)的應(yīng)用：新能源汽車產(chǎn)業(yè)在近年得到快速發(fā)展，整個(gè)汽車行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到低能耗、輕量化的發(fā)展通道。目前，稀土鎂合金已經(jīng)覆蓋到汽車制造工業(yè)中生產(chǎn)過程中，在多個(gè)零部件中應(yīng)用，應(yīng)用的稀土鎂合金類型包括AZ91X、Mg-Gd-Y、MB26等。隨著汽車市場(chǎng)消費(fèi)觀念的改變，汽車的安全性和舒適性要求不斷提升，在汽車安全裝置的改進(jìn)方面，稀土鎂合金也發(fā)揮出積極作用。如安全氣囊、ABS、內(nèi)飾的增加必須通過零部件材料綜合性能的優(yōu)化和重量的輕量化補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)。在汽車座椅的質(zhì)量性能優(yōu)化過程中，通過采用AM50、AM20等稀土鎂合金實(shí)現(xiàn)了焊接鋼構(gòu)件數(shù)量的減少，在保證汽車良好抗震動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，提升了汽車座椅的舒適性。隨著汽車行業(yè)中稀土鎂合金的技術(shù)應(yīng)用，汽車的整體重量大大減少，整車車重可減少11%～15%，汽車能耗可減少7%～10%，碳排放量降低約5g/km。

交通行業(yè)的應(yīng)用：高鐵和輕軌是現(xiàn)代交通的重要方式，高速度、重載、低能耗是軌道交通技術(shù)研究的重點(diǎn)。稀土鎂合金材料在該領(lǐng)域中也有較好的應(yīng)用效果。如在輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，西門子公司采用稀土鎂合金制作列車座椅、框架。我國(guó)輕軌列車中，采用稀土鎂合金制作列車座椅骨架、扶手、窗戶欄桿、行李架、空調(diào)格柵、儀表框架等部件，很好地為列車車身減重，不僅增強(qiáng)了列車動(dòng)能，而且降低了單位能耗。常用的稀土鎂合金有AZ61A、AZ31B、AZ91D、AM60B、ZK60等。

航空及軍事行業(yè)的應(yīng)用：稀土鎂合金技術(shù)應(yīng)用為航空設(shè)備性能和成本帶來了有益的改進(jìn)。我國(guó)神州6號(hào)飛船中的電器外箱均采用MB26稀土鎂合金制作，有效減輕整體重量。采用稀土鎂合金制備直升機(jī)中的變速裝置，使直升機(jī)旋翼的上升動(dòng)力得到提升。航空領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域中很多設(shè)備及部件對(duì)于耐腐蝕性、耐高溫性能要求很高，稀土鎂合金的出現(xiàn)給這些領(lǐng)域帶來了福音。WE型鎂合金被應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱和變速系統(tǒng)中，在座椅、機(jī)艙頂棚等部件中也有應(yīng)用。軍事武器中的轟炸機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等裝備中也有稀土鎂合金的應(yīng)用并表現(xiàn)出積極效果。

計(jì)算機(jī)、通信和電子行業(yè)的應(yīng)用：傳統(tǒng)的通信電子產(chǎn)品體積大，重量大，已經(jīng)不符合現(xiàn)代消費(fèi)者的需求。用稀土鎂合金材料替換通信電子產(chǎn)品外殼，使電子產(chǎn)品的質(zhì)量更輕、外形更薄、體積更小。原來的通信電子產(chǎn)品外殼采用的是PC材料、ABS材料等，在電磁波防干擾方面表現(xiàn)不理想，由于稀土鎂合金具有優(yōu)良的金屬屏蔽防電磁干擾性能，而且比強(qiáng)度更好，還具有優(yōu)異的耐腐蝕性和力學(xué)性能，在現(xiàn)代通信電子行業(yè)中應(yīng)用日益普遍。

目前，我國(guó)高性能稀土鎂合金材料研究和開發(fā)以及實(shí)際應(yīng)用方面仍舊與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家有差距，還不夠成熟。尤其是稀土鎂合金的作用機(jī)理方面存在爭(zhēng)論，如稀土鎂合金中輕稀土和重稀土元素是如何實(shí)現(xiàn)交互作用的；稀土元素和雜質(zhì)元素之間是否存在交互作用；抑制元素的偏析、凈化以及變質(zhì)作用的機(jī)理如何，LPSO結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理，沉淀硬化和析出強(qiáng)化的作用機(jī)理等，這些都需要業(yè)內(nèi)人士繼續(xù)進(jìn)一步研究。

目前研究的主要問題包括：如何進(jìn)一步通過改進(jìn)成型制備及熔體凈化工藝，降低合金化過程中雜質(zhì)的含量，提高稀土鎂合金的強(qiáng)度及韌性等性能；對(duì)稀土元素改善鎂合金高溫抗蠕變性能的作用機(jī)理進(jìn)一步研究；對(duì)稀土元素改善鎂合金室溫塑性變形性能的作用機(jī)理進(jìn)一步研究；圍繞稀土鎂合金耐腐蝕性能的提升，對(duì)表面處理技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)；開發(fā)低成本稀土鎂合金，降低使用成本等。

隨著新興產(chǎn)業(yè)的崛起，生產(chǎn)出具有高強(qiáng)度、良好延展性以及多樣化力學(xué)性能的稀土鎂合金是當(dāng)下及未來研究的重要方向之一，這也是滿足不同結(jié)構(gòu)材料需求的應(yīng)用趨勢(shì)。內(nèi)蒙古包頭稀土研究院開發(fā)了的稀土鎂鋯合金晶粒細(xì)化劑，鋯顆粒尺寸低于600nm。未來，稀土鎂合金材料將朝著板、管、棒等多種形狀的系列化方向發(fā)展，同時(shí)在更復(fù)雜延展性和形變性方面將有較大的發(fā)展空間。

4 結(jié)語(yǔ)

稀土鎂合金的整體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鎂合金，使其在汽車、航空航天、軍事、軌道交通、通信電子等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮出越來越重要的作用。未來，隨著微合金技術(shù)、多元合金技術(shù)及成型工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，稀土鎂合金的強(qiáng)韌化、高溫耐腐蝕和抗蠕變性能等作用機(jī)理研究將更加深入，合金體系不斷增加，在提升鎂合金性能指標(biāo)的同時(shí)，生產(chǎn)成本將逐步降低，這將為稀土鎂合金的普及應(yīng)用創(chuàng)建有利條件。