在所有開發(fā)的鎂合金家族中，鎂稀土( Mg-RE )系列合金在機(jī)械性能方面顯示出巨大的優(yōu)勢，在各種工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。稀土元素在鎂合金中的合金化研究由來已久，最初主要集中在向Mg - Al合金中添加少量富Ce或La的混合稀土，以調(diào)節(jié)共晶組織的形態(tài)。其他Re，Y、Nd、Sc、Sm等也被發(fā)現(xiàn)在鎂合金中表現(xiàn)出類似的作用。最早商業(yè)化的RE含量較高的鎂合金有用于高壓鑄造的Mg - 4Al - 4RE ( AE44 )和用于砂型鑄造的Mg - 4Zn - 1RE ( ZE41 )等。然而，在這些合金中，RE仍被用作微量合金元素，這并不屬于我們這里討論的Mg - RE合金家族的范圍。

此后，以WE43和WE54為代表的Mg - Y - RE系合金成為第一批具有與中等強(qiáng)度鋁合金相當(dāng)?shù)氖覝貜?qiáng)度、良好的抗蠕變性能( 250℃)和阻燃性能的Mg - RE系合金。基于此，研究人員發(fā)現(xiàn)添加10 wt . %以上的Gd可以在Mg中產(chǎn)生有效的時(shí)效硬化效應(yīng)，這使得Mg - Gd基耐熱Mg - RE合金在近二十年來得到了快速的發(fā)展。Mg-Gd-Y、Mg-Gd-Nd 、Mg-Gd-Zn等合金具有比其他鎂合金更高的強(qiáng)度和抗蠕變性能。與傳統(tǒng)的Mg合金(典型的Mg - Al系)相比，高性能的Mg - RE合金在許多方面都是獨(dú)特的，包括但不限于更高的強(qiáng)度和塑性，更高的彈性模量，更高的蠕變抗力，更高的阻燃能力和更高的疲勞壽命等。這種較好的綜合力學(xué)性能使Mg - RE系合金得到了實(shí)際應(yīng)用，如汽車工業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和車輪，武器和軍工工業(yè)中的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)和炮彈，以及航空航天工業(yè)中更為廣泛的飛機(jī)座椅和變速箱殼體等。

上海交通大學(xué)吳國華教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)晶粒細(xì)化并不局限于常規(guī)添加化學(xué)成分，還需要考慮( i )化學(xué)孕育和基體Mg - RE合金成分的整體過程；( ii )物理場對(duì)晶粒細(xì)化的影響；( iii )晶粒細(xì)化劑與熔體凈化之間的干擾；( iv )鑄造工藝及其加工參數(shù)。因此，本文綜述了在Mg - RE合金的整個(gè)鑄造過程中，每個(gè)過程可能對(duì)晶粒細(xì)化產(chǎn)生的影響。本綜述為研究人員和工程師提供了關(guān)于鑄造Mg - RE合金晶粒細(xì)化的最新進(jìn)展的系統(tǒng)了解。本工作還將為未來晶粒細(xì)化工藝的設(shè)計(jì)、材料制備工藝路線及其工藝參數(shù)的選擇提供思路，并為鑄態(tài)Mg - RE構(gòu)件的粗化機(jī)制提供應(yīng)對(duì)策略，以滿足高質(zhì)量和高性能的需求。相關(guān)研究成果以題“Recent advances on grain refinement of magnesium rare-earth alloys during the whole casting processes: A review”發(fā)表在Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723002268

無論是在力學(xué)性能方面，還是在制造工藝方面，鎂合金構(gòu)件相對(duì)良好的性能總是由細(xì)小的顯微組織所保證。晶粒細(xì)化在鑄造鎂合金構(gòu)件制造中的優(yōu)勢可能包括以下幾類：

( 1 )具有較高的強(qiáng)度和延性。高強(qiáng)度的原因主要是由于Mg及其合金通過晶界強(qiáng)化效應(yīng)的Hall - Petch系數(shù)相對(duì)于Al基合金較高。鑄態(tài)鎂合金的晶粒尺寸一直處于微米至毫米級(jí)別，晶粒細(xì)化是同時(shí)提高合金強(qiáng)度和塑性的唯一途徑。Mg - RE合金相對(duì)于傳統(tǒng)Mg - Al系合金較高的應(yīng)變硬化行為，使得當(dāng)合金的延展性增強(qiáng)到足以釋放合金的強(qiáng)度時(shí)，可以表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。更高的延展性也為可能經(jīng)歷二次制造過程的鑄坯的變形能力提供了保證，并提供了在受到?jīng)_擊和碰撞時(shí)吸收更高能量的能力。

( 2 )高密度適用于高剛度的應(yīng)用場合。由于RE元素的合金化作用，Mg - RE合金的彈性模量始終高于Mg - Al合金。Mg - RE中的晶粒細(xì)化可以導(dǎo)致粗大的樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，從而減少枝晶間的收縮。因此，鑄件被致密化，合金的模量將接近其理論值。

( 3 )在制造復(fù)雜鑄件部件時(shí)，減少了熱裂傾向，增強(qiáng)了流動(dòng)性。穩(wěn)定性對(duì)于制造大尺寸、薄壁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件至關(guān)重要。更細(xì)小的晶粒來源于凝固過程中大量的異質(zhì)形核。因此，細(xì)小的晶粒通常會(huì)導(dǎo)致合金熔體中的成分和溫度幾乎均勻分布。這有利于合金熔體的流動(dòng)性，因?yàn)樵诤辖鹑垠w在型腔內(nèi)流動(dòng)的過程中，初生Mg相的形核和長大同時(shí)發(fā)生。

( 4 )減少了大尺寸構(gòu)件鑄造中的宏觀和微觀偏析。大型鑄件，如復(fù)雜的砂型鑄造零件和用于變形加工的半連續(xù)鑄造圓或棒坯，要求化學(xué)成分和晶粒組織從外表面到中心區(qū)域分布相對(duì)均勻。此外，在大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的制造中，由于重力差異，RE元素和Mg之間的密度差異使其更容易偏析。因此，有效且均勻的晶粒細(xì)化是獲得高質(zhì)量鑄坯的關(guān)鍵。

( 5 )較小的晶粒尺寸會(huì)縮短鑄態(tài)構(gòu)件熱處理所需的時(shí)間，降低熱處理所需的溫度。Mg - RE合金是一種析出強(qiáng)化型合金，通常需要在鑄造過程中進(jìn)行熱處理。更細(xì)小的晶粒可以有效地減少富溶質(zhì)相從晶界擴(kuò)散到晶粒內(nèi)部所需的距離。

綜合上述Mg - RE合金晶粒細(xì)化的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，

圖1 .各工藝對(duì)Mg - RE合金整個(gè)鑄造過程中晶粒細(xì)化的影響。

圖2 . Mg - RE合金晶粒尺寸對(duì)RE元素Q值的依賴性：( a )實(shí)驗(yàn)結(jié)果；( b )擬合曲線

圖3 .不同Mg含量Zr的結(jié)合能；( b )不同Zr含量Mg的結(jié)合能；( c ) Mg - Zr合金異質(zhì)形核的原子機(jī)理示意圖；( d ) Zr顆粒表面在凝固過程中形成Zr - Mg過渡層的示意圖

圖4 .軋制( a , b)和FSP ( c、d)前后Zr在Mg - Zr中間合金中的分布

圖5 . UHFP - TIGR前后Mg - Zr中間合金中Zr的分布及相應(yīng)的晶粒細(xì)化效果

圖6 . α - Mg與原位生成Zr核的位向關(guān)系：( a ) - ( c ) TEM圖像；( d ) ~ ( f )分別為α - Zr和α - Mg的FFT譜

圖7 .不同粒徑Zr Cl4對(duì)鑄造Mg - Gd - Y合金的晶粒細(xì)化效果：( a )、( b )晶粒細(xì)化效果，( c ) ~ ( e ) Zr顆粒在合金中的分布，( e ) Zr顆粒的尺寸分布

圖8 .通過邊-邊匹配模型計(jì)算的Al2Y顆粒與α - Mg基體之間可能存在的取向關(guān)系( a )以及原子間距失配與Al2RE顆粒和α - Mg界面能的關(guān)系( b )

圖9。Al ( a , b)和Zr ( c、d)細(xì)化Mg - 10Y合金晶粒的鑄態(tài)組織( b、d)經(jīng)550℃固溶處理48 h后，在鑄態(tài)Mg - 10Y - Al合金中觀察到了Al - Y相

圖10 . Al₂Y顆粒的顯微結(jié)構(gòu)及其與α - Mg基體的位向關(guān)系：( a ) SEM圖像( b ) Al₂Y的橫截面( c ) Al₂Y / Mg界面的TEM圖像與選區(qū)電子衍射( d ) Al₂Y / Mg界面靠近F₁面的HREM圖像

圖11 . Mg - Al - Sm合金的晶粒細(xì)化機(jī)制示意圖：( a )未添加UT和晶粒細(xì)化劑的Mg - 5Sm二元合金；( b ) Mg - 5Sm二元熔體的UT；( c ) UT對(duì)Mg - 5Sm合金凝固過程的影響；( d )含Al₂Sm顆粒合金的超聲檢測；( e )含UT和Al₂Sm顆粒合金的凝固過程

晶粒細(xì)化是鑄造Mg - RE合金構(gòu)件的關(guān)鍵問題之一，這已成為廣泛的共識(shí)。控制鑄造Mg - RE合金的最終晶粒尺寸除了廣泛關(guān)注的化學(xué)孕育途徑外，還需要考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中的其他問題。綜述了化學(xué)孕育、外加物理場、晶粒細(xì)化劑與熔體凈化之間的相互干擾以及鑄造或制備工藝本身對(duì)Mg - RE合金晶粒細(xì)化效果的影響。上述類別中仍有較大的空間需要改進(jìn)，此問題才能迎刃而解，現(xiàn)將挑戰(zhàn)與展望總結(jié)如下：

( 1 )通過化學(xué)孕育Mg - Zr中間合金細(xì)化晶粒仍然是Mg - RE合金鑄件工程應(yīng)用中簡便有效的途徑。如果含Zr鹽的副產(chǎn)品被認(rèn)為是鎂合金熔體中的污染物，可以通過普通的凈化方法有效地減少，那么含Zr鹽在未來的經(jīng)濟(jì)和實(shí)際應(yīng)用中都具有巨大的潛力。雖然原位Al2RE顆粒對(duì)Mg - RE合金的晶粒細(xì)化是有效的，但其實(shí)際應(yīng)用可能需要滿足嚴(yán)格的鑄造條件，并且基體Mg - RE合金的合金成分需要重新設(shè)計(jì)，以體現(xiàn)這種晶粒細(xì)化技術(shù)的最大價(jià)值。

( 2 )物理場在Mg - RE合金鑄件晶粒細(xì)化中的應(yīng)用是否值得，需要考慮到具體的實(shí)際情況。與鎂合金熔體直接接觸的物理場，如超聲振動(dòng)，可能適用于合金熔體尺寸大、數(shù)量多的鑄造構(gòu)件，也可能更適用于固液共存溫度范圍大的合金。非接觸式物理場，如電磁攪拌等，可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、長流道、固液界面距離澆注中心較遠(yuǎn)的鑄件部件。加壓凝固只適用于擠壓鑄造工藝，更適用于對(duì)鑄件密度、強(qiáng)度、形狀和尺寸精度要求較高，且投影面積(投影方向平行于所施加的壓力)較小的鑄件。

( 3 )為了保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，熔體凈化在鑄造過程中至關(guān)重要。Mg - Zr中間合金長期以來被認(rèn)為是Mg - RE合金鑄件中應(yīng)用最廣泛的晶粒細(xì)化劑，其晶粒細(xì)化效率受凈化工藝的影響較大。凈化熔劑與鎂合金熔體的相互作用以及攪拌、高溫等環(huán)境條件都會(huì)影響RE元素的燒損以及形核Zr顆粒的存活率。需要新的不與RE元素和Zr顆粒發(fā)生反應(yīng)的提純方法，或者采用新的途徑引入在高溫下可能不會(huì)衰減的Zr顆粒，這可能是未來開發(fā)Mg - RE合金中Zr細(xì)化晶粒效率的可能解決方案。

( 4 )在制備Mg - RE合金時(shí)，應(yīng)首先考慮不同鑄造或加工工藝條件下的晶粒細(xì)化問題，以及合金的物理或化學(xué)性質(zhì)和工藝參數(shù)的具體控制。幾種材料制備技術(shù)在改善Mg - RE合金的晶粒尺寸方面顯示出巨大的潛力。合金成分的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮非平衡凝固條件，如擠壓鑄造中的加壓凝固和3D打印中的超快速凝固等。通過這樣做，可以最大限度地發(fā)揮晶粒細(xì)化效果和改善機(jī)械性能的潛力。