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     本課題主要對(duì)鑄造稀土鎂合金的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。

1鑄造稀土鎂合金的研究現(xiàn)狀

    常用的鑄造稀土鎂合金可分為Mg-Al-RE系、Mg-Zn-RE系、Mg-RE系合金3類(lèi)。近些年來(lái)，主要采用合金化方法來(lái)研究鑄造稀土鎂合金中的微觀組織及其對(duì)力學(xué)性能的影響。

1.1 Mg-AI-RE系

Mg-AI系合金是常用鑄造鎂合金。在Mg-Al系合金中，主要的強(qiáng)化相為低熔點(diǎn)Mg17A112相。當(dāng)使用溫度高于120℃時(shí)，Mg17 A112相會(huì)軟化，且晶界附近富A1的過(guò)飽和固溶體會(huì)發(fā)生p-Mg17 A112相的非連續(xù)析出，最終導(dǎo)致合金抗蠕變性能的迅速降低。因此，可以通過(guò)改變Mg17A112相的結(jié)構(gòu)和增添新的熱強(qiáng)相來(lái)提高合金的力學(xué)性能及耐熱性能。由于RE與Al之間可形成熱穩(wěn)定性高的金屬間化合物，并充分抑制Mg17 A112相的形成，因此，Mg-AI-RE合金具有較高的室溫、高溫力學(xué)性能和抗蠕變性能。CUI X P等研究了Pr對(duì)壓鑄AZ91合金組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入0.4%的Pr后，合金中出現(xiàn)了細(xì)小的針狀A(yù)111Pr3相和少量的A16 Mn6 Pr相。隨著Pr的增加，A111Pr3相增加并隨之粗化，A16 Mn6 Pr相數(shù)量急劇增加。AZ91-0. 8Pr合金具有較優(yōu)異的力學(xué)性能，其室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為228 MPa、137 MPa和6.8%。ARUN B等研究了Y對(duì)AZ91-Sb鑄造合金的高溫力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)在AZ91-o. 5Sb合金中加入0.6%的Y后，會(huì)有較好的常溫和高溫力學(xué)性能，在150℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為191 MPa、III MPa和13%。繼續(xù)增加Y的含量，會(huì)形成粗大的A12Y相，導(dǎo)致組織和成分的不均勻，使合金的力學(xué)性能降低。降低合金中的A1含量，可提高M(jìn)g-AI-RE合金的耐熱性能，因此開(kāi)發(fā)出一系列的AE系稀土鎂合金口]，如：AE21、AE41、AE42等。ZHANG J H等對(duì)壓鑄Mg-4AI-Ce合金的研究表明，加入4%～6%的Ce可顯著提高合金的高溫性能，尤其是在150～250℃時(shí)，屈服強(qiáng)度比Mg-4AI合金提高了近60%，其原因歸結(jié)于晶粒的細(xì)化及熱穩(wěn)定性好的M9i1 Ce3相的出現(xiàn)。添加單一稀土元素對(duì)合金的力學(xué)性能提高有限，而加人多種稀土元素時(shí)，由于多種稀土元素間的相互作用，可明顯改善合金的力學(xué)性能。WANG J等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)添加Y(0.9%)或Nd(0.9%)不能對(duì)Mg-4AI基合金起晶粒細(xì)化的作用，而復(fù)合添加等量的Y和Nd卻有非常好的細(xì)化晶粒作用，且復(fù)合添加0.9%的Y和o．9% Nd的Mg-4Al基合金擁有理想的力學(xué)性能和伸長(zhǎng)率，原因歸結(jié)為大量熱穩(wěn)定性好且彌散分布的第二相的析出。YANG Q等通過(guò)復(fù)合添加La、Sm提高壓鑄Mg-4AI合金的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在Mg-4AI-3La-2Sm合金中，發(fā)現(xiàn)了4種Al-( La，Sm)相，除了AE44合金中常見(jiàn)的塊狀A(yù)12( Sm，La)相和針狀A(yù)111(La，Sm)3相外，還出現(xiàn)了花瓣?duì)預(yù)111( La，Sr-r-i)。相和鐵錘狀A(yù)1) (Sm，La)相。其中，La富集在針狀A(yù)111 (La，Sm)。相中，而Sm則富集在其他3種相中。由于擁有更多的A12 (Sm，La)相及更細(xì)小的晶粒，在常溫下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為266 MPa、170 MPa和11.2%，200℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了134 MPa、109 MPa和24%。李克杰等研究了Sm對(duì)Mg-6Al-1. 2Y-O. 9Nd合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)在峰值時(shí)效條件下，加入0.5%的Sm時(shí)，合金具有最高的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度約為250 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)26%。少量Sm的加入改善了合金室溫拉伸性能，原因有二：一是Sm在鎂中有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，二是基體中形成了彌散分布的熱穩(wěn)定相(A12Y，A12 SrTi)和沉淀相Mg2 A13。上述合金的力學(xué)性能及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化相見(jiàn)表1。

1.2   Mg-Zn-RE系

    Mg-Zn合金相比Mg-AI合金具有更高的屈服強(qiáng)度，但是，在Mg-Zn合金中，增加Zn含量會(huì)使合金在鑄造過(guò)程中出現(xiàn)熱裂傾向和顯微縮松，導(dǎo)致合金力學(xué)性能降低。稀土的加入，可以改善Mg-Zn合金的力學(xué)性能和抗蠕變性能，因此開(kāi)發(fā)出一系列的ZE系稀土鎂合金，如：ZE33、ZE41、ZE53等。YANG M B等通過(guò)對(duì)Mg-3. 82n-2. 2Ca-Gd合金的研究，發(fā)現(xiàn)少量Gd的加入可以顯著提高合金的力學(xué)性能和抗蠕變性能。加入1. 49%的Gd時(shí)，合金具有最優(yōu)的力學(xué)性能和抗蠕變性能。XU C X等研究Nd和Yb對(duì)Mg-5. 52n-0. 62r合金組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)Nd和Yb的加入能有效細(xì)化晶粒。經(jīng)固溶處理后，合金中形成的Mg-Zn-Yb球狀相含量隨Nd和Yb的增加而增加，合金的力學(xué)性能顯著提高。Mg-5. 52n-0. 62r-0. 2Nd-l.5Yb合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了255.6 MPa、163.6 MPa和17.4%。少量Y加入Mg-Zn合金中會(huì)形成W-Mg3 Y2Zn3相和準(zhǔn)晶I-Mg3 Y2n6相。一定含量的W相可以提高合金的力學(xué)性能，而I相為正二十面體準(zhǔn)晶相，這種結(jié)構(gòu)可顯著提高合金的力學(xué)性能。

1.3   Mg-RE系

    由于單獨(dú)添加一種稀土元素對(duì)合金的力學(xué)性能提高有限，因此，Mg-RE系合金多為多元稀土合金化鎂合金。目前，Mg-RE系常用的鑄造合金主要有WE系和Mg-Gd-Y系合金。WE54合金為第一個(gè)在商業(yè)上應(yīng)用的含Y稀土鎂合金。但是，該合金在150℃以上長(zhǎng)期使用韌性會(huì)降低，因此，降低Y含量，同時(shí)增加Nd含量，開(kāi)發(fā)出了WE43鎂合金，NIE J F等、AN-TION C等對(duì)WE系合金的沉淀相進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在250℃峰值時(shí)效條件下，WE系合金同時(shí)存在著3種亞穩(wěn)相：β”、β’和β1相。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，β1在原位形成β相。XU L等對(duì)Mg-4. OY-2. 5Nd-0.7 Zr(WE43)合金的熱處理制度進(jìn)行了優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)788 K×4 h+498 K×12 h處理后，大量細(xì)小的∥7和盧7彌散分布在基體內(nèi)（見(jiàn)圖1），合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到了293 MPa、175 MPa和5.6%；并系

統(tǒng)研究了不同Zn含量(0～1.5%)對(duì)Mg-4. OY-2.4 Nd合金微觀組織及力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)在Mg-4.0 Y-2. 4Nd合金中加入0.2%的Zn時(shí)，具有最優(yōu)的力學(xué)性能，在225。C時(shí)效下，合金的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為330 MPa、265 MPa和6.5%。原因是具有縱橫比棱柱面的片狀β’相體積含量較高（見(jiàn)圖2）。

    近年來(lái)，Mg-Gd-Y系合金由于具有顯著的時(shí)效強(qiáng)化作用，已成為了新的研究熱點(diǎn)。JIANG L K等研究了不同Gd含量對(duì)Mg-Gd-Y-Zr合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)時(shí)效處理后，Gd含量從9%增加到11%，合金的共晶組織隨之增加，但合金的力學(xué)性能變化較小，都具有優(yōu)異的力學(xué)性能。其中Mg-10Gd-3Y-0. 52r合金的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為358 MPa，240 MPa和3.7%。ZHANG S等研究了固溶和時(shí)效處理對(duì)Mg-14Gd-3Y-I. 82n-0. 52r合金的組織演化和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著固溶時(shí)間延長(zhǎng)，合金的14H-LPSO結(jié)構(gòu)數(shù)量隨之增加，經(jīng)498 K×16 h的時(shí)效處理后，合金基體中彌散分布著大量的β’和β1，相。大量的14H-LPSO結(jié)構(gòu)及彌散分布的沉淀相使得合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了366 MPa、230 MPa和2.8%。

2鑄造稀土鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制

    目前，制約鑄造鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是其力學(xué)性能偏低。因此，研究人員對(duì)鑄造鎂合金的強(qiáng)化機(jī)理做了大量研究。根據(jù)鑄造鎂合金晶體內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶間塑性變形的特點(diǎn)，提高鑄造鎂合金的力學(xué)性能可以從以下幾個(gè)方面采取措施。

2.1  固溶強(qiáng)化

    半徑及彈性模量與基體不相同的溶質(zhì)原子溶入基體，基體的晶格會(huì)發(fā)生畸變，造成堆垛層錯(cuò)能降低、產(chǎn)生短程有序或其他溶質(zhì)原子偏聚，從而降低固溶體中元素的擴(kuò)散能力，提高再結(jié)晶溫度，使合金得到強(qiáng)化‘1]。根據(jù)H umc-Rothery固溶規(guī)則，只有溶質(zhì)與溶劑原子的半徑差值在15%之內(nèi)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生固溶體。在產(chǎn)生的固溶體中，溶質(zhì)與溶劑原子的半徑差值或彈性模量的差值越大，產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化作用就越好。稀土元素在鎂基體中的固溶度一般較大，能產(chǎn)生較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化。通過(guò)研究不同Y含量(O～6.0%)對(duì)固溶態(tài)Mg-2. 4Nd-0. 22n合金力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于元素Y在Mg基體中最大的固溶度為12.6%，且Y與Mg原子的錯(cuò)配度達(dá)到了12.5%，因此，在Mg-2. 4Nd-0. 22n合金中加入6．O%的Y時(shí)，固溶態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別提高了72 MPa和57 MPa。

2.2細(xì)晶強(qiáng)化

    細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)提高鎂合金強(qiáng)度、改善其塑性與韌性具有重要的意義。晶界能夠釘扎位錯(cuò)的滑移與運(yùn)動(dòng)，在晶界處產(chǎn)生的應(yīng)力集中可以激活更多的合金滑移系，從而使合金的整體塑性變形協(xié)調(diào)能力得到增強(qiáng)，隨之提高合金的強(qiáng)度和韌性。在一般情況下，合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系可由Hall-Petch關(guān)系式表示：

式中，σy為晶體材料的屈服強(qiáng)度；σ0為晶體材料的晶格間摩擦力；K為斜率（不同的合金材料K值不同）；d為晶粒尺寸。從式(l)中可以看出，合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸大小的平方根成反比。由于純鎂是密排六方結(jié)構(gòu)，晶體對(duì)稱(chēng)性很低，其滑移系較少，因此它的K值要遠(yuǎn)大于體心立方和面心立方金屬（K≈280～320），所以晶粒細(xì)化后，鎂合金的力學(xué)性能會(huì)明顯地提高。加入稀土后，合金的細(xì)晶強(qiáng)化效果更為顯著。ZHANG J H等在Mg-4AI-O. 3Mn合金中加入0～6%的Ce，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸由18.5tim減少到8.5μm，見(jiàn)圖3。同時(shí)，合金的室溫抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別增加了36 MPa和41 MPa。

2.3沉淀強(qiáng)化

    沉淀強(qiáng)化又稱(chēng)析出強(qiáng)化，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化的前提條件是：合金元素的固溶度隨溫度的下降迅速降低。將具有此特征的鎂合金在較高溫度下進(jìn)行固溶處理，得到過(guò)飽和固溶體，接著在較低溫度下進(jìn)行時(shí)效處理，析出相便會(huì)從過(guò)飽和固溶體中析出。如果這些沉淀相具有尺寸細(xì)小、分布均勻，與基體保持共格關(guān)系且隨溫度升高粗化不明顯等特點(diǎn)，合金便可產(chǎn)生較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用。其強(qiáng)化機(jī)理為：析出相能夠嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及滑移，從而提高合金的屈服強(qiáng)度。沉淀強(qiáng)化是稀土鎂合金最重要的強(qiáng)化機(jī)制。XU L等對(duì)Mg-4Y-2. 5Nd-0.7Zr(WE43)合金的沉淀強(qiáng)化作用進(jìn)行了半定量計(jì)算，結(jié)果表明由沉淀強(qiáng)化引起的合金屈服強(qiáng)度提高了36%。

2.4彌散強(qiáng)化

    彌散強(qiáng)化顆粒是合金在凝固過(guò)程中生成的，通常都具有較高的熔點(diǎn)和很低的溶解度。在室溫環(huán)境下，析出相與彌散強(qiáng)化顆粒都可阻礙位錯(cuò)的滑移和運(yùn)動(dòng)，使合金得到強(qiáng)化。但在高溫環(huán)境下，由于析出相不斷粗化、合并及軟化，最終導(dǎo)致析出相的強(qiáng)化效果顯著減弱；而彌散強(qiáng)化相在高溫時(shí)性能穩(wěn)定，能在合金變形時(shí)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此，合金在較高溫度時(shí)仍具有較好的力學(xué)性能。一般而言，等軸、細(xì)小且均勻分布于基體內(nèi)的彌散相具有較好的強(qiáng)化效果，這些彌散相顆粒具有極強(qiáng)的釘扎作用。在AZ系鎂合金中加入少量RE可形成熱穩(wěn)定性好的Al-RE彌散相，使得AZ系合金的力學(xué)性能及抗蠕變性能得到提高。

3  鑄造稀土鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)

    雖然鑄造稀土鎂合金的研究取得了很大的進(jìn)展，但到目前為止，鑄造稀土鎂合金的研究和應(yīng)用還有待于進(jìn)一步拓展。預(yù)計(jì)未來(lái)我國(guó)鑄造稀土鎂合金的發(fā)展主要集中在3個(gè)方面。

    (l)低成本鑄造稀土鎂合金的開(kāi)發(fā)  稀土價(jià)格昂貴而限制了其應(yīng)用，因此，加入價(jià)格低廉的合金化元素替代部分稀土元素成為必然的選擇。Zn價(jià)格低廉且具有很強(qiáng)的固溶和時(shí)效強(qiáng)化效果。此外，Zn還能與部分稀土元素作用生成長(zhǎng)周期有序結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)晶相，使稀土鑄造鎂合金擁有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐熱性能。因此，含Zn鑄造稀土鎂合金的開(kāi)發(fā)是一個(gè)研究的熱門(mén)方向。此外，價(jià)格低廉的堿土金屬與Ⅳ、V族元素與鎂形成高熔點(diǎn)化合物，可以提高合金的力學(xué)性能及耐熱性能，這也是低成本鑄造稀土鎂合金的發(fā)展方向。

    (2)多元稀土合金化鎂合金的開(kāi)發(fā)單獨(dú)添加一種稀土對(duì)合金的力學(xué)性能提高有限，加入多種稀土元素時(shí)，由于元素間的相互影響，不僅可以降低彼此在鎂基體中的固溶度，還可以提高合金的沉淀強(qiáng)化效果。因此，多元稀土合金化鎂合金的研究是提高合金力學(xué)性能的重要途徑。

(3)稀土合金化的作用機(jī)制研究  目前，稀土對(duì)鎂合金顯微組織的影響及在鎂基體中的多元交互作用機(jī)制規(guī)律研究還不夠成熟，如：GP區(qū)的形成、沉淀析出行為、輕稀土與重稀土元素的交互作用等都有待進(jìn)一步深入研究。

4摘  要

綜述了國(guó)內(nèi)外常用Mg-AI-RE系、MgZn-RE系和MgRE系3類(lèi)鑄造稀土鎂合金的基本特性、力學(xué)性能及其研究現(xiàn)狀。闡述了鑄造鎂合金加入稀土的強(qiáng)化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)單一加入少量稀土元素，對(duì)稀土鎂合金的組織和力學(xué)影響有限，采用復(fù)合添加更有效果。并對(duì)鑄造稀土鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)要的論述。