中國粉體網(wǎng)訊 鎂元素化學(xué)性質(zhì)活潑，易與O2和H2O反應(yīng)形成MgO，使得鎂合金中含有氧化夾雜物，降低了鎂合金的質(zhì)量和使用性能。氧化夾雜物一般存在于鎂合金鑄件的基體或晶界上，導(dǎo)致合金產(chǎn)生疲勞裂紋，且降低了力學(xué)性能和耐腐蝕性能等。稀土元素的添加，不僅可以減少夾雜物的數(shù)量，還能細(xì)化晶粒，提高合金的性能，當(dāng)稀土元素Ce添加到AM50鎂合金中，Ce起到凈化合金的作用，減少了如Fe、Ni等雜質(zhì)。Y的添加能夠減小擠壓Mg-Zn-Zr合金的晶粒尺寸，晶粒尺寸從不含Y的14.2μm減小到3％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的3.2μm，降幅高達(dá)77％。
1.稀土元素對Mg合金力學(xué)性能的影響
1.1 Mg-Al-RE系
Mg-Al系鎂合金是目前牌號最豐富，應(yīng)用最廣的鎂合金系列，添加到Mg-Al系鎂合金的稀土元素主要有Ce、Y、Nd等。不含稀土的Mg-Al基合金主要有α-Mg枝晶和分布于枝晶間的金屬間化合物β-Mg17Al12相；而當(dāng)Mg-3％Al基合金添加稀土元素后，α-Mg枝晶變細(xì)，金屬間化合物β-Mg17Al12相由Al11RE3和A12RE所替代。
Al11RE3相基本穩(wěn)定在200℃，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，Al11RE3相會轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2RE相。這也說明了，Al11RE3的穩(wěn)定性是有條件的。
添加稀土元素后，不管是在室溫還是200℃，合金的強(qiáng)度均增加，延伸率也一直保持較高水平。添加稀土元素后強(qiáng)度提高可能與以下因素有關(guān)：首先，大量的金屬間化合物Al11RE3的形成，對枝晶邊界的強(qiáng)化起到了很大的作用；其次，添加稀土元素細(xì)化了枝晶臂，促進(jìn)強(qiáng)度的提高;最后，添加稀土元素，特別是Y，會通過固溶強(qiáng)化提高M(jìn)g基體的強(qiáng)度。
1.2 Mg-Zn-RE系
Mg-Zn系合金廣泛應(yīng)用于變形鎂合金，具有較好的可時效強(qiáng)化能力。添加到Mg-Zn系合金的稀土元素種類很多，如Y、Er、Gd、Nd、Ce等。添加稀土元素后，合金的力學(xué)性能均得到提高，這是因為稀土元素能夠細(xì)化晶粒，而且在合金中會形成強(qiáng)化相，提高合金的強(qiáng)度。
在鑄態(tài)Mg-3.8Zn-2.2Ca合金中添加稀土元素Ce和Gd，加Ce和Gd合金的抗拉強(qiáng)度分別從123.8MPa提高到146.1和130.6MPa，延伸率分別從2.4％提高到3.5％和2.9％。
單純研究鑄態(tài)合金添加稀土元素并不能滿足合金對強(qiáng)度的需求，越來越多的研究者開始研究變形和添加稀土雙重效應(yīng)對合金性能的影響。對比研究鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-5.0Zn-0.9Y-0.16Zr合金發(fā)現(xiàn)，擠壓后合金的力學(xué)性能得到大幅度改善，抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和延伸率分別從168，105MPa和1.8％增強(qiáng)到363，317MPa和12％。力學(xué)性能的提高歸因于合金擠壓后晶粒細(xì)化的作用。擠壓后的Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce合金的力學(xué)性能也得到改善，屈服強(qiáng)度從209MPa增強(qiáng)到232MPa，抗拉強(qiáng)度基本保持不變，延伸率從11.5％增大到14。7％。相比鑄態(tài)M-12Zn-1.5Er合金，擠壓態(tài)合金的力學(xué)性能得到了顯著改善。
1.3 Mg-Li-RE系
Mg-Li合金是鎂合金中最輕的系列，加入稀土元素后，通過固溶強(qiáng)化和形成細(xì)小彌散的金屬間化合物來提高M(jìn)g-Li合金的力學(xué)性能。在Mg-Li合金中添加的稀土元素種類很多，如Y、Ce、Nd等。
在Mg-5Li-3Al-2Zn合金中添加稀土元素，Al2RE或Al3RE相生成，AlLi相減少。隨著稀土元素的添加，合金的拉伸強(qiáng)度隨著添加量的增多而提高，但當(dāng)添加量多余1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，拉伸強(qiáng)度變?nèi)�。延伸率的變化趨勢和拉伸�?qiáng)度一樣，當(dāng)添加量為1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE具有最優(yōu)的拉伸強(qiáng)度和延伸率，分別為206.5MPa和14.4％。
Nd也能提高合金的拉伸強(qiáng)度和延伸率，當(dāng)Nd含量為2.0％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，Mg-8Li-3Al合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值185.95MPa，當(dāng)Nd含量為1.6％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，延伸率達(dá)到峰值16.3％。力學(xué)性能提高歸因于Nd添加減小了α相尺寸和分布于相界的新相Al2Nd束縛了滑移。BinJiang等.研究了Ce和Y對Mg-8Li-2Zn合金性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在Mg-8Li-2Zn合金中添加0.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Ce和Y能夠提高強(qiáng)度且同等條件下Y的效果比Ce更顯著。0.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Y添加同時提高了Mg-8Li-2Zn合金的延伸率，而Ce卻使延伸率變小。
1.4其他
對于Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金，隨著擠壓溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有輕微的減弱;相反，時效后隨著擠壓溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增大。當(dāng)合金在200℃時效16h，在400℃擠壓的合金具有最優(yōu)的力學(xué)性能，即抗拉強(qiáng)度達(dá)到400MPa，屈服強(qiáng)度超過300MPa，延伸率達(dá)到7％。而Mg-10Gd-2Y-0.5Zr合金在14次的循環(huán)擠壓-壓縮過程后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的漲幅分別為20％、8.2％和150％。
將稀土元素Ce添加到M-3Sn-2Ca合金中，當(dāng)Ce的添加量達(dá)到1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及以上，合金的力學(xué)性能有較大的提高。當(dāng)Ce添加量為2％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，室溫下抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率的增幅分別為24.4％，28.6％和73.7％，150℃時的增幅分別為22.4％，28.8％和56％。
稀土元素Y也能提高合金的強(qiáng)度，當(dāng)添加量為1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的力學(xué)性能最優(yōu)，即室溫下抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為150，137MPa和3.2％，增幅分別為18.1％，22.3％和68.4％，相應(yīng)的150℃時的增幅分別為19.8％，24％和54.9％。在ChengWeili的研究中同樣發(fā)現(xiàn)Ce能提高M(jìn)g-5Sn-4Zn的力學(xué)性能。
2.結(jié)語
我國在稀土新材料的開發(fā)與應(yīng)用上與發(fā)達(dá)國家相比有很大差距，對變形稀土鎂合金的研究還不深入，稀土合金化的作用研究還不足，其作用機(jī)理也存在爭議。由于稀土元素價格偏高，所以開發(fā)低成本的稀土鎂合金也是當(dāng)前研究的重點，例如可以用價格較便宜的Nd替代昂貴的Gd、Dy等。而且稀土元素眾多，每種元素對材料的影響還沒有研究透徹和清晰。目前稀土元素只是作為輔助元素，其加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，進(jìn)一步開發(fā)使之成為主要元素，并研究其與鎂合金及其他元素之間的合金化機(jī)制，從而開發(fā)出最佳配比的具有特殊性能的鎂合金。稀土元素的添加顯著提高了鎂合金的強(qiáng)度，但是合金的塑性不高，在汽車、摩托車等應(yīng)用上的制作工藝復(fù)雜，使得稀土鎂合金至今的產(chǎn)業(yè)化還沒實現(xiàn)。
但是我國有豐富的鎂和稀土資源，是鎂和稀土的儲備、生產(chǎn)、出口的第一大國。因此我國在研究開發(fā)稀土鎂合金方面具有非常大的優(yōu)勢，合理利用稀土資源，開發(fā)出性能優(yōu)異的稀土鎂合金，這樣不僅能增加鎂合金在航空、航天、汽車、通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用，還可以促進(jìn)其在新型領(lǐng)域的進(jìn)一步開發(fā)和利用。
1.稀土元素對Mg合金力學(xué)性能的影響
1.1 Mg-Al-RE系
Mg-Al系鎂合金是目前牌號最豐富，應(yīng)用最廣的鎂合金系列，添加到Mg-Al系鎂合金的稀土元素主要有Ce、Y、Nd等。不含稀土的Mg-Al基合金主要有α-Mg枝晶和分布于枝晶間的金屬間化合物β-Mg17Al12相；而當(dāng)Mg-3％Al基合金添加稀土元素后，α-Mg枝晶變細(xì)，金屬間化合物β-Mg17Al12相由Al11RE3和A12RE所替代。
Al11RE3相基本穩(wěn)定在200℃，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，Al11RE3相會轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2RE相。這也說明了，Al11RE3的穩(wěn)定性是有條件的。
添加稀土元素后，不管是在室溫還是200℃，合金的強(qiáng)度均增加，延伸率也一直保持較高水平。添加稀土元素后強(qiáng)度提高可能與以下因素有關(guān)：首先，大量的金屬間化合物Al11RE3的形成，對枝晶邊界的強(qiáng)化起到了很大的作用；其次，添加稀土元素細(xì)化了枝晶臂，促進(jìn)強(qiáng)度的提高;最后，添加稀土元素，特別是Y，會通過固溶強(qiáng)化提高M(jìn)g基體的強(qiáng)度。
1.2 Mg-Zn-RE系
Mg-Zn系合金廣泛應(yīng)用于變形鎂合金，具有較好的可時效強(qiáng)化能力。添加到Mg-Zn系合金的稀土元素種類很多，如Y、Er、Gd、Nd、Ce等。添加稀土元素后，合金的力學(xué)性能均得到提高，這是因為稀土元素能夠細(xì)化晶粒，而且在合金中會形成強(qiáng)化相，提高合金的強(qiáng)度。
在鑄態(tài)Mg-3.8Zn-2.2Ca合金中添加稀土元素Ce和Gd，加Ce和Gd合金的抗拉強(qiáng)度分別從123.8MPa提高到146.1和130.6MPa，延伸率分別從2.4％提高到3.5％和2.9％。
單純研究鑄態(tài)合金添加稀土元素并不能滿足合金對強(qiáng)度的需求，越來越多的研究者開始研究變形和添加稀土雙重效應(yīng)對合金性能的影響。對比研究鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-5.0Zn-0.9Y-0.16Zr合金發(fā)現(xiàn)，擠壓后合金的力學(xué)性能得到大幅度改善，抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和延伸率分別從168，105MPa和1.8％增強(qiáng)到363，317MPa和12％。力學(xué)性能的提高歸因于合金擠壓后晶粒細(xì)化的作用。擠壓后的Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce合金的力學(xué)性能也得到改善，屈服強(qiáng)度從209MPa增強(qiáng)到232MPa，抗拉強(qiáng)度基本保持不變，延伸率從11.5％增大到14。7％。相比鑄態(tài)M-12Zn-1.5Er合金，擠壓態(tài)合金的力學(xué)性能得到了顯著改善。
1.3 Mg-Li-RE系
Mg-Li合金是鎂合金中最輕的系列，加入稀土元素后，通過固溶強(qiáng)化和形成細(xì)小彌散的金屬間化合物來提高M(jìn)g-Li合金的力學(xué)性能。在Mg-Li合金中添加的稀土元素種類很多，如Y、Ce、Nd等。
在Mg-5Li-3Al-2Zn合金中添加稀土元素，Al2RE或Al3RE相生成，AlLi相減少。隨著稀土元素的添加，合金的拉伸強(qiáng)度隨著添加量的增多而提高，但當(dāng)添加量多余1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，拉伸強(qiáng)度變?nèi)�。延伸率的變化趨勢和拉伸�?qiáng)度一樣，當(dāng)添加量為1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE具有最優(yōu)的拉伸強(qiáng)度和延伸率，分別為206.5MPa和14.4％。
Nd也能提高合金的拉伸強(qiáng)度和延伸率，當(dāng)Nd含量為2.0％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，Mg-8Li-3Al合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值185.95MPa，當(dāng)Nd含量為1.6％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，延伸率達(dá)到峰值16.3％。力學(xué)性能提高歸因于Nd添加減小了α相尺寸和分布于相界的新相Al2Nd束縛了滑移。BinJiang等.研究了Ce和Y對Mg-8Li-2Zn合金性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在Mg-8Li-2Zn合金中添加0.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Ce和Y能夠提高強(qiáng)度且同等條件下Y的效果比Ce更顯著。0.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Y添加同時提高了Mg-8Li-2Zn合金的延伸率，而Ce卻使延伸率變小。
1.4其他
對于Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金，隨著擠壓溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有輕微的減弱;相反，時效后隨著擠壓溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增大。當(dāng)合金在200℃時效16h，在400℃擠壓的合金具有最優(yōu)的力學(xué)性能，即抗拉強(qiáng)度達(dá)到400MPa，屈服強(qiáng)度超過300MPa，延伸率達(dá)到7％。而Mg-10Gd-2Y-0.5Zr合金在14次的循環(huán)擠壓-壓縮過程后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的漲幅分別為20％、8.2％和150％。
將稀土元素Ce添加到M-3Sn-2Ca合金中，當(dāng)Ce的添加量達(dá)到1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及以上，合金的力學(xué)性能有較大的提高。當(dāng)Ce添加量為2％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，室溫下抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率的增幅分別為24.4％，28.6％和73.7％，150℃時的增幅分別為22.4％，28.8％和56％。
稀土元素Y也能提高合金的強(qiáng)度，當(dāng)添加量為1.5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，合金的力學(xué)性能最優(yōu)，即室溫下抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為150，137MPa和3.2％，增幅分別為18.1％，22.3％和68.4％，相應(yīng)的150℃時的增幅分別為19.8％，24％和54.9％。在ChengWeili的研究中同樣發(fā)現(xiàn)Ce能提高M(jìn)g-5Sn-4Zn的力學(xué)性能。
2.結(jié)語
我國在稀土新材料的開發(fā)與應(yīng)用上與發(fā)達(dá)國家相比有很大差距，對變形稀土鎂合金的研究還不深入，稀土合金化的作用研究還不足，其作用機(jī)理也存在爭議。由于稀土元素價格偏高，所以開發(fā)低成本的稀土鎂合金也是當(dāng)前研究的重點，例如可以用價格較便宜的Nd替代昂貴的Gd、Dy等。而且稀土元素眾多，每種元素對材料的影響還沒有研究透徹和清晰。目前稀土元素只是作為輔助元素，其加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，進(jìn)一步開發(fā)使之成為主要元素，并研究其與鎂合金及其他元素之間的合金化機(jī)制，從而開發(fā)出最佳配比的具有特殊性能的鎂合金。稀土元素的添加顯著提高了鎂合金的強(qiáng)度，但是合金的塑性不高，在汽車、摩托車等應(yīng)用上的制作工藝復(fù)雜，使得稀土鎂合金至今的產(chǎn)業(yè)化還沒實現(xiàn)。
但是我國有豐富的鎂和稀土資源，是鎂和稀土的儲備、生產(chǎn)、出口的第一大國。因此我國在研究開發(fā)稀土鎂合金方面具有非常大的優(yōu)勢，合理利用稀土資源，開發(fā)出性能優(yōu)異的稀土鎂合金，這樣不僅能增加鎂合金在航空、航天、汽車、通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用，還可以促進(jìn)其在新型領(lǐng)域的進(jìn)一步開發(fā)和利用。
