鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其比重只有1.74g/ cm 3 ，僅相當(dāng)于鋁的 2/3，鐵的 1/4。鎂合金具有 比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、阻尼減震、 電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優(yōu)點(diǎn)，在 汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領(lǐng)域具 有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù) 為“21 世紀(jì)綠色工程材料”。我國是鎂資源大國， 探明儲(chǔ)量占世界的 40% 以上；我國還是鎂生產(chǎn) 大國，80% 以上鎂產(chǎn)品進(jìn)入國際市場，在國內(nèi)應(yīng) 用較少。現(xiàn)在僅僅變成消耗能源和資源為發(fā)達(dá)國 家提供鎂的初級產(chǎn)品。

    稀土元素由于其電子結(jié)構(gòu)相似，因此它們的 化學(xué)性質(zhì)也相似。我國擁有豐富的稀土礦產(chǎn)資源， 從輕稀土到重稀土品種齊全，品味好。傳統(tǒng)鎂合 金具有強(qiáng)度低、變形困難、耐腐蝕性能差、使用 溫度低等弱點(diǎn)。鎂合金中添加適量稀土元素，可 以起到變質(zhì)作用，達(dá)到細(xì)化組織的功能；同時(shí)稀 土元素還可以與鎂合金中的有害雜質(zhì)如鐵、銅、 鎳等作用形成中間化合物而達(dá)到除雜的作用；稀 土元素很活潑，可以與氫、氧等作用達(dá)到除氣、 除渣、凈化晶界的作用，改善鎂合金的脆性和耐 腐蝕性能，稀土與鎂形成強(qiáng)化相起到固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用，大大提高鎂合金的強(qiáng)度和韌性； 稀土還有改善鎂合金的流動(dòng)性，提高鑄造性能； 提高摩擦磨損性能等。

    如前所述，我國鎂資源和稀土資源豐富，這 兩大資源優(yōu)勢為高性能稀土鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用 提供了契機(jī)。稀土元素按原子量可以分為輕稀土、 中稀土和重稀土三大類，本文將從三類稀土元素 與鎂的不同作用機(jī)制詳細(xì)講述稀土鎂合金的研究 和應(yīng)用進(jìn)展。

    一、輕稀土鎂合金

    輕稀土元素主要為 La 和 Ce，兩者在 Mg 中 的最大固溶度分別為 0.4%（wt.）和 0.74%（wt.）。 由于固溶度小，產(chǎn)生的固溶和時(shí)效強(qiáng)化效果有限， 故通常不作為主合金元素添加。作為微量元素， 輕稀土元素在鎂合金中有以下主要作用：

    （1）阻燃：鎂合金在熔煉澆注過程中容易 發(fā)生劇烈的氧化燃燒。實(shí)踐證明，熔劑保護(hù)法 和 SF 6 、SO 2 、CO 2 、Ar 等氣體保護(hù)法是有效的 阻燃方法，但在應(yīng)用中會(huì)污染環(huán)境，并使合金 性能降低，設(shè)備投資增大。在鎂合金中添加稀 土能改善其抗氧化性，當(dāng) ZM5 合金中不含稀土 時(shí)，起燃溫度約為 654℃，隨著合金中混合稀土（La，Ce）加入量為 0.12% 時(shí)，起燃溫度達(dá)到約 820℃。與未加稀土的 ZM5 鎂合金相比，起燃溫 度提高約 166℃。阻燃機(jī)理為添加 La 和 Ce 元素 能在合金表面形成較為致密的稀土氧化物，從而 形成保護(hù)膜，提高抗氧化性。

    （2）凈化：稀土元素 La、Ce 等在熔煉過程 中能夠與晶界處的雜質(zhì)元素反應(yīng)，使晶界凈化改 善合金的塑性，同時(shí)使 Mg-Al 系列合金中的 β 相產(chǎn)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效抑制腐蝕過程，提高耐蝕 性。AZ91 合金添加 1.0% 的 La 元素后，其耐蝕 性和塑性均得到大幅度提高。

    （3）改善變形合金織構(gòu)：織構(gòu)的存在對變 形鎂合金的力學(xué)行為影響明顯，因此，鎂合金的 織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對改善和提高變形鎂合金的塑性成 形性具有非常重要的意義。在純鎂中添加 0.2%Ce 后擠壓合金表現(xiàn)出明顯的織構(gòu)弱化，織構(gòu)強(qiáng)度 最大值從 2.7 下降到 1.5。而添加 0.2%Ce 以后的 Mg-Ce 二元合金的伸長率大幅提升。稀土元素改 善變形合金織構(gòu)的機(jī)理在于：Ce 元素固溶到鎂 基體中改變 Mg-Ce 原子之間的化學(xué)鍵，對 Ce 原 子周圍的 Mg-Mg 原子間化學(xué)鍵產(chǎn)生影響，進(jìn)而 影響鎂合金在變形過程中的變形方式，造成非基 面織構(gòu)的產(chǎn)生并弱化基面織構(gòu)，提高合金的力學(xué) 性能。

    二、中稀土鎂合金

    中稀土元素主要為 Y、Nd、Sm 等， 以下分別介紹三種合金體系的研究與應(yīng) 用情況。

    Mg-Y 系合金 : 稀土元素 Y 是在鎂 合金中強(qiáng)化作用最好、應(yīng)用最廣泛、 也是研究最深入的元素之一。Y 在鎂固 溶體中具有較高固溶度，平衡固溶度 為 3.75%（ 原 子 分 數(shù)）/12.47%（ 質(zhì) 量 分?jǐn)?shù)）（566℃），且其固溶度隨溫度 的降低而呈指數(shù)關(guān)系顯著減小，這意味著 Mg-Y 合金系是典型的可以通過完全熱處理沉 淀強(qiáng)化的鎂合金系。在合金中加入其它合金元素 （如：Nd、Zn 和 Zr 等）會(huì)明顯降低 Y 在鎂中的 固溶度，但卻能大幅提高合金中析出相的體積分 數(shù)，從而進(jìn)一步提高合金的機(jī)械性能。

    英國開發(fā)研制出一系列高溫下具有高強(qiáng)度 及高蠕變性能的含 Nd、Y 的 WE 型鎂合金，最 先研制出了 WE54，WE43 合金，使用溫度達(dá)到 250℃，具有較好的澆鑄、沉淀析出強(qiáng)化效果和 高溫抗蠕變性能。WE 系合金在經(jīng)過固溶及時(shí) 效過程中，合金中依次析出：α 固溶體→ β″ （D019）→ β′（Mg 12 Nd Y,b.c.c）→ β（Mg 14 Nd 2 Y,f. c.c）相，這是合金具有優(yōu)良的室溫及高溫性能的 主要原因。目前 WE 系列合金是應(yīng)用相對成熟、 研究相對深入的商用鎂合金，被廣泛應(yīng)用于航空 航天領(lǐng)域中。

    在 Mg-Y 合金中添加 Zn、Cu、Ni 等元素會(huì) 形成 LPSO 結(jié)構(gòu)。LPSO 結(jié)構(gòu)是近年來學(xué)術(shù)界的 一 個(gè) 研 究 熱 點(diǎn)， 具 有 6H、10H、14H、18R 及 24R 這 5 種不同類型的 LPSO, 其對合金增強(qiáng)、增 韌具有重要的作用。

    Kawamura Y 等采用快速凝固粉末冶金工藝 制備了 Mg-Y-Zn 合金。室溫力學(xué)性能最高到達(dá)： σ b =628MPa，σ 0.2 =610MPa，A=5.0%，這是目前 制備的一種強(qiáng)度最高并具有較高耐腐蝕能力的新型鎂合金。具有如此優(yōu)異的力學(xué)性能被認(rèn)為除與 細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、Mg-Y的彌散強(qiáng)化有關(guān)之外， 合金中的 LPSO 結(jié)構(gòu)起到了很重要的作用。

    在 Mg-Y 二元合金系中加入 Ca 和 Zr 合金元 素開發(fā)的 Mg-Y-Ca-Zr 阻燃鎂合金，隨著 Y 含量 增加，合金的晶粒尺寸減小，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng) 度增加，而伸長率變化很小。加入 Ca 和 Zr 能夠 細(xì)化合金的晶粒組織、提高室溫強(qiáng)度，同時(shí)不影 響合金的時(shí)效過程。

    Mg-Nd 系合金：Nd 元素在 Mg 中的極限固 溶度為 3.6%（560℃），含有少量 Nd 的鎂合金 就已具備了良好的析出強(qiáng)化效果。因此，認(rèn)為 Mg-Nd 系二元合金為典型的析出強(qiáng)化合金。在 Mg-Nd 二元中同時(shí)添加微量的 Zn 和 Zr 元素，能 夠進(jìn)一步促進(jìn)合金的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，細(xì)化鑄態(tài)合 金晶粒，提高合金性能。

    上海交通大學(xué)通過調(diào)整 Nd/Zn 比開發(fā)出了 低成本的高強(qiáng)度鑄造鎂合金 Mg-Nd- Zn-Zr（JDM1）， 其 鑄 造 性 能 與 AZ91 合金相當(dāng)，其綜合力學(xué)性能比 AZ91 大幅度提高。采用高溫連續(xù)固溶和時(shí) 效熱處理后形成的棱面分布的亞穩(wěn) 析出相（和盧相），使 NK30K 的室溫力學(xué)性 能 改 善 至：σ b =300~305MPa，σ 0.2 =140MPa， A=11%。此外，該合金還具有中等的高溫強(qiáng)度（在 ≤ 250℃，σ b ≥ 240MPa）和優(yōu)良的抗蠕變性能 （200℃ ,100MPa 下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率均在 10 數(shù)量 級）以及優(yōu)異的耐蝕性能（~0.11mg/cm 2 · d）。

    由于 JDM1 合金采用的是比較廉價(jià)的稀土元 素而且其加入量也較低，因此合金成本得到很好 控制，不超過 AZ91D 的 120%。目前，該合金已 應(yīng)用于國防、汽車輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等零部件。

    Mg-Sm 系合金：Sm 元素在 Mg 中的極限固 溶度為 5.8%，與 Nd 元素類似，Mg-Sm 合金也具 有較好固溶和時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，與 Nd 元素所不同的是 Mg-Sm 系合金相對于 Mg-Nd 系合金具有更 好的鑄造性能（流動(dòng)性、熱烈性等），可用于壓鑄。

    近年來，隨著航空航天、汽車和 3C 產(chǎn)品的 散熱材料不僅追求低密度、高強(qiáng)度，而且要求 具有良好的導(dǎo)熱性能。雖然鎂合金的密度低， 比強(qiáng)度高，但是，室溫下純鎂的導(dǎo)熱系數(shù)為 156W/（m.K），其他常用鎂合金的熱導(dǎo)率很低， 如商業(yè)牌號的 AZ91D 鎂合金在 20℃下的熱導(dǎo)率 僅有 52W/（m.K），這極大地限制了鎂合金在 這些領(lǐng)域的應(yīng)用。總結(jié)散熱產(chǎn)品對鎂合金性能 的基本要求主要有三點(diǎn)：一是合金具有良好的 壓鑄性能，因大部分產(chǎn)品都需要通過壓鑄方法 生產(chǎn)；二是合金具有一定的強(qiáng)度，滿足螺栓裝 配的要求，通常屈服強(qiáng)度在 100MPa 左右；三是 合金具有高的導(dǎo)熱系數(shù)，通常在 100W/（m.K） 以上，這些需求為 Mg-Sm 系合金的應(yīng)用找了突 破。（見表 1）

    上海交大通過在 Mg-Sm 二元合金體系中添加 Zr 元素同時(shí)優(yōu)化 Sm 元素的含量，開發(fā)了一款高導(dǎo) 熱壓鑄 Mg-Sm-Zr 合金（JDDRM1），除具有優(yōu) 良的壓鑄性能外，合金屈服強(qiáng)度達(dá)到了 110MPa 以上，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了 120 W/（m.K）以上，即 將應(yīng)用于通訊基站的散熱單元。

    三、重稀土鎂合金

    重稀土元素主要為 Gd、Dy、Er、Ho 等元素， 重稀土元素在 Mg 中的固溶度都非常大，一般都 在 20%（wt.）以上，具有極高的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)， 重稀土鎂合金通常作為高強(qiáng)、耐熱鎂合金，廣泛 應(yīng)用于航空航天、軍事等領(lǐng)域。重稀土鎂合金中 兩類代表合金為 Mg-Gd 和 Mg-Dy 系合金。

    Mg-Gd 系合金：Gd 能提高鎂合金的熔點(diǎn)和 抗蠕變性能。早在 1974 年研究者就發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過 擠壓、調(diào)質(zhì)和時(shí)效處理的 Mg-Gd 合金在高溫及 低溫下都具有較高的抗拉強(qiáng)度。Mordike 等研究 了簡單 Mg-Gd 二元合金與 WE43、QE22 等合金 的性能比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn) Mg-Gd 合金的抗蠕變性 能大大高于其他合金，并且隨著 Gd 含量的增加， 抗蠕變性能增加。研究表明，在 Mg-Gd 二元合 金體系中添加中稀土元素如 Y、Nd 等，能進(jìn)一 步促進(jìn)合金的時(shí)效析出動(dòng)力學(xué)，提高強(qiáng)度。上海 交大通過調(diào)整 Gd/Y，綜合運(yùn)用固溶強(qiáng)化、時(shí)效 強(qiáng)化和彤變強(qiáng)化等手段開發(fā)了常規(guī)方法加工獲得 的高強(qiáng)度耐高溫 Mg-Gd-Y-Zr 系變形鎂合金。

    Mg-Gd-Y-Zr 合金的高溫穩(wěn)定性非常好，在 200~250℃之間具有良好的力學(xué)性能。GW123K 和 GW102K 合金的瞬間高溫拉伸強(qiáng)度高于 2618 耐熱鋁合金和 WE54 商業(yè)耐熱鎂合金。此外，該 系列合金還具有很好的抗蠕變性能及抗腐蝕性 能。目前，采用該合金已開發(fā)了導(dǎo)彈尾翼、高速 列車用大承載型材、直升機(jī)機(jī)匣等部件。

    Mg-Dy 系合金：早在 1984 年俄國的 Drits 等就發(fā)現(xiàn) Mg-Dy 合金在時(shí)效過程中有 Mg2Dys 相 的形成，后來又有一些關(guān)于該類合金的研究，并 提出 Mg-Dy 合金具有一定的時(shí)效硬化效果。

    同樣成分的 Mg-Dy 二元合金，其綜合性能 略低于 Mg-Gd 合金，而且由于加入了重稀土，其成本增加、密度提高及韌性降低。在 Mg-Dy 合金中加入其它合金元素，如：Nd、Y 等能進(jìn)一 步提高鎂合金的性能，因此，Mg-Dy-Nd 和 Mg- Dy-Y 合金中部分的 Dy 被 Nd 及 Y 替代。關(guān)于此 類合金時(shí)效相圖及拉伸性能已得到一定研究，結(jié) 果發(fā)現(xiàn)，加入適量的 Nd 或 Y 可以增加合金的時(shí) 效硬化性能及高溫拉伸性能，但由于合金晶粒比 較粗大，導(dǎo)致合金的韌性降低。值得指出的是， 盡管 Y 在鎂中的固溶度比 Nd 的高，但研究發(fā)現(xiàn)， 在合金中加入同樣的 Nd 和 Y 時(shí)，Mg-Dy-Nd 合 金的性能要優(yōu)于 Mg-Dy-Y 合金。由于 Zr 的細(xì)化 晶粒作用，且可以進(jìn)一步提高合金強(qiáng)度，所以在 研究中常在合金中加入一定量的 Zr，形成 Mg- Dy-Y-Zr 和 Mg-Dy-Nd-Zr 合金，從而使合金的 綜合性能得到一定程度的提高。

    四、展望

    隨著全球范圍內(nèi)的能源、資源緊缺以及各國 對環(huán)境保護(hù)的日益重視，航空航天、信息產(chǎn)業(yè)和 國防軍工等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對高 比強(qiáng)度、高比剛度等高性能結(jié)構(gòu)材料的需求與日 俱增，高性能輕量化鎂合金必然會(huì)得到越來越廣 泛的關(guān)注、研究和使用。所以，我們需要整合高 校、科研院所的基礎(chǔ)優(yōu)勢與企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢， 以市場需求為牽引，盡快開發(fā)高效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì) 的鎂合金加工新技術(shù)，占據(jù)國際鎂資源技術(shù)一體 化優(yōu)勢，推動(dòng)我國鎂產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。