被稱為新材料“寶庫”的稀土, 作為一種特殊功能材料, 能夠大幅度地提高其它產品的質量和性能, 號稱現代工業的“維生素”, 不僅廣泛用于冶金、石油化工、玻璃陶瓷、毛紡、皮革和農業等傳統產業, 而且在熒光、磁性、激光、光纖通訊、貯氫能源、超導等材料領域有著不可缺少的作用, 直接影響著光學儀器、電子、航空航天、核工業等新興高技術產業發展的速度和水平。這些技術成功應用于軍事技術, 極大地促進了現代軍事技術的發展。

稀土新材料在現代軍事技術中所發揮的特殊作用, 廣泛引起各國政府和專家的高度關注, 如被美國、日本等國家有關部門列為發展高技術產業和軍事技術的關鍵元素。

關于稀土及稀土與軍事國防簡述

嚴格講，所有的稀土元素都有一定的軍事用途，但在國防和軍事領域發揮最關鍵作用的應該是激光測距、激光制導、激光通訊等領域的應用。

1 稀土鋼、稀土球墨鑄鐵在現代軍事技術上的應用

1.1 稀土鋼在現代軍事技術上的應用

作用包括凈化變質和合金化兩個方面, 即主要是脫硫、脫氧和去除氣體, 消除低熔點有害雜質的影響, 細化晶粒和組織, 影響鋼的相變點從而提高鋼的淬透性和力學性能等, 軍工科技人員利用稀土的這一性質, 研制了不少適于兵器使用的稀土材料。

1.1.1 裝甲鋼

早在60 年代初期, 我國兵器工業就開始了稀土在裝甲鋼和炮鋼上的應用研究, 先后生產了601、603、623 等稀土裝甲鋼, 開創了我國坦克生產中的關鍵原材料立足于國內的新紀元。

1.1.2 稀土碳素鋼

60 年代中期, 我國又在原某種優質碳素鋼中加入0.05% 的稀土, 制成了稀土碳素鋼。這種稀土鋼較原碳素鋼的橫向沖擊值提高了70% ～100% , - 40 ℃時的沖擊值提高近1 倍。采用該鋼制造的大口徑藥筒經靶場射擊試驗證明, 完全能滿足技術要求, 目前我國已定型投產, 實現了我國在藥筒材料方面以鋼代銅的多年夙愿。

1.1.3 稀土高錳鋼和稀土鑄鋼

稀土高錳鋼用于制造坦克履帶板, 稀土鑄鋼用于制造高速脫殼穿甲彈的尾翼、炮口制退器和火炮結構件, 可減少加工工序, 提高鋼材的利用率, 并能達到戰術技術指標。

1.2 稀土球墨鑄鐵在現代軍事技術的應用

過去, 我國前膛彈彈體材料均采用以優質生鐵加入30% ~ 40% 的廢鋼而制成的半鋼性鑄鐵, 由于其強度低、脆性大、爆炸后的有效殺傷破片數量少且不鋒利以及殺傷威力弱等原因,一度束縛了前膛彈彈體的發展。自1963 年后,采用稀土球墨鑄鐵制造各種口徑的迫擊彈, 使其力學性能提高1 ~ 2 倍, 有效殺傷破片數量成倍增加, 破片刃口鋒利, 大大提高了殺傷威力。我國用這種材料制造的某型加農炮炮彈和野戰炮炮彈戰斗殼體, 其有效殺傷破片數和密集殺傷半徑比鋼質殼體略勝一籌。

2 鎂、鋁等有色稀土合金在現代軍事技術上的應用

稀土具有很高的化學活性和較大的原子半徑, 加入到有色金屬及其合金中, 可細化晶粒、防止偏析、除氣、除雜和凈化以及改善金相組織等作用, 從而達到改善機械性能、物理性能和加工性能等綜合目的。國內外材料工作者利用稀土的這一性質, 研制出了新型稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金, 這些產品在殲擊機、強擊機、直升機、無人駕駛機、以及導彈衛星等現代軍事技術上獲得了廣泛的應用。

2.1 稀土鎂合金

稀土鎂合金比強度較高, 能減輕飛機重量,提高戰術性能, 具有廣泛的應用前景。中國航空工業總公司(以下簡稱中航總) 研制的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10 個牌號, 很多牌號已用于生產, 質量穩定。例如:以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM 6 鑄造鎂合金已擴大用于直升機后減速機匣、殲擊機翼肋及30 kW 發電機的轉子引線壓板等重要零件。中航總與有色金屬總公司聯合研制的稀土高強鎂合金BM 25 已代替部分中強鋁合金, 在強擊機上獲得應用。

2.2 稀土鈦合金

70 年代初, 北京航空材料研究院(簡稱:航材院) 在Ti— A1— M o 系鈦合金中用稀土金屬鈰(Ce) 取代部分鋁、硅, 限制了脆性相的析出, 使合金在提高耐熱強度的同時, 也改善了熱穩定性能。以此基礎上, 又研制出了性能良好的含鈰的鑄造高溫鈦合金ZT3。它與國際同類合金相比, 在耐熱強度及工藝性能方面均具有一定的優勢。用它制造的壓氣機匣用于W PI3Ⅱ發動機, 每架飛機減重達39 kg, 提高推重比1.5% , 此外減少加工工序約30% , 取得了明顯的技術經濟效益, 填補了我國航空發動機在500 ℃條件下使用鑄鈦機匣的空白。研究表明,含鈰的ZT3 合金組織中存在著細小的氧化鈰質點。鈰化合了合金中的一部分氧, 形成了難熔的、高硬度的稀土氧化物質點Ce2O3。這些質點在合金形變過程中阻礙了位錯運動, 提高了合金高溫性能, 鈰奪取了一部分氣體雜質(尤其是在晶界上的), 就有可能在使合金強化的同時, 保持良好的熱穩定性能。這是在鑄造鈦合金中應用難溶質點強化理論的首次嘗試。此外航材院在鈦合金溶模精密鑄造工藝中,經多年研究, 采用了特殊的礦化處理技術, 研制出了穩定廉價的氧化釔砂料與粉料, 它在比重、硬度和對鈦液的穩定性上, 都達到了較好的水平, 而在調節控制殼料漿性能上, 表現出更大的優越性。用氧化釔型殼制造鈦鑄件的突出優點是: 在鑄件質量和工藝水平與鎢面層工藝相當的條件下, 能制造比鎢面層工藝更薄的鈦合金鑄件。目前, 該工藝已廣泛用于制造各種飛機、發動機及民品鑄件。

2.3 稀土鋁合金

中航總研制的含稀土耐熱鑄造鋁合金HZL206, 與國外含鎳的合金比較, 具有優越的高溫和常溫力學性能, 并已達到國外同類合金的先進水平。現已用于直升機和殲擊機工作溫度達300 ℃的耐壓閥門, 取代了鋼和鈦合金。減輕了結構重量,已投入批量生產。稀土鋁硅過共晶ZL117 合金在200～300℃下的拉伸強度超過西德活塞合金KS280 和KS282, 耐磨性能比常用活塞合金ZL108 提高4～5 倍, 線膨脹系數小, 尺寸穩定性好, 已用于航空附件KY — 5,KY — 7 空壓機和航模發動機活塞。稀土元素加入鋁合金中, 明顯改善顯微組織和機械性能。稀土元素在鋁合金中的作用機制為: 形成分散分布, 細小的鋁化合物起著顯著的第二相強化作用;稀土元素的加入起到了除氣凈化作用,從而減少合金中氣孔的數量, 提高合金的性能;稀土鋁化合物作為異質晶核細化晶粒和共晶相,也是一種變質劑; 稀土元素促進了富鐵相的形成和細化, 減少了富鐵相的有害作用。α— A1中鐵的固溶量隨稀土加入量的增加而減少, 也對提高強度和塑性有利。

3 稀土燃燒材料在現代軍事技術上的應用

3.1 純稀土金屬

純稀土金屬因其化學性質活潑, 極易同氧、硫、氮作用生成穩定的化合物, 當受到劇烈摩擦與沖擊發生火花時, 可引燃易燃物。因此,早在1908 年它就被制成打火石。現已查明, 17種稀土元素中有鈰、鑭、釹、鐠、釤和釔等六種元素具有特別良好的縱火性能。人們將稀土金屬的縱火性制成了各式燃燒武器, 例如美國“馬克— 82 型”227 kg 航彈采用稀土金屬內襯,除了產生爆炸殺傷效應處, 還產生縱火效應。美國空對地“阻尼人”火箭戰斗部內裝108 個稀土金屬方棒作內襯, 取代部分預制破片, 靜爆破試驗證明, 其點燃航空油料的能力比無內襯的高44% 。

3.2 混合稀土金屬

由于純稀土金屬的價格較為昂貴, 各國在燃燒武器中廣泛采用價廉的復合稀土金屬。復合稀土金屬燃燒劑經高壓裝填于金屬殼體中,燃燒劑密度為(1.9 ~ 2.1)×103 ㎏ /m 3, 燃燒速度1.3 ～1.5 m m /s, 火焰直徑約500 m m , 火焰溫度高達1 715～2 000 ℃。其燃燒后熾熱體熾熱持續時間長于5m in。美軍在侵越戰爭中,用發射器發射的一種40 m m 縱火榴彈, 其內裝填的引燃內襯就用混合稀土金屬制成的。當彈體爆炸后, 每一片帶有引燃內襯的破片都可引燃目標。當時該彈的月產量達20 萬發, 最高達26 萬發。

3.3 稀土燃燒合金

重量為100 g 的稀土燃燒合金可形成200 ~3 000 個火種, 覆蓋面積大, 與穿甲彈、破甲彈的殺傷半徑相當。為此, 發展燃燒威力的多功能彈藥成為目前中外彈藥發展的主攻方向之一。對于穿甲彈和破甲彈, 其戰術性能要求在擊穿敵坦克裝甲之后, 還能將其油料、彈藥引燃,以徹底摧毀坦克。對于榴彈則要求在其殺傷范圍內引燃軍需物資和戰略設施等。據悉, 美國制造的一種塑料稀土金屬燃燒彈, 其彈體由玻璃纖維增強的尼龍制成, 內裝混合稀土合金彈芯, 用于對付裝有航空燃料及類似的目標具有較佳效果。

4 稀土材料在軍事防護與核技術上的應用

4.1 在軍事防護技術上的應用

稀土元素具有防輻射特性。美國國家中子截面中心采用高分子材料為基材,添加或不添加稀土元素制成了兩種厚度為10 m m 的板材進行防輻射試驗。結果表明, 稀土高分子材料的熱中子屏蔽效果優于無稀土高分子材料5 ~ 6倍。其中添加釤、銪、釓、鏑等元素的稀土材料的中子吸收截面最大, 具有良好的俘獲中子的作用。目前, 稀土防輻射材料在軍事技術中的主要應用包括以下幾個方面。

4.1.1 核輻射屏蔽

美國采用1% 硼和5% 的稀土元素釓、釤和鑭, 制成厚度為600m m 的防輻射混凝土, 用于屏蔽游泳池式反應堆裂變中子源。法國采用石墨為基材添加硼化物、稀土化合物或稀土合金,研制成一種稀土防輻射材料。這種復合屏蔽材料的填料要求分布均勻并制成預制件, 根據屏蔽部位的不同要求, 分別置于反應堆通道的四周。

4.1.2 坦克熱輻射屏蔽

它由四層單板組成, 總厚度為5 ~ 20 cm 。第一層用玻璃纖維增強塑料制成,采用無機粉末添加2% 的稀土化合物為填料, 以阻滯快中子、吸收慢中子; 第二層和第三層, 是在前者之中再加入硼石墨和聚苯及占填料總量10% 的稀土元素, 以阻滯中能中子和吸收熱中子; 第四層采用石墨代替玻璃纖維, 加入含25% 稀土化合物, 吸收熱中子。

4.1.3 其它

將稀土防輻射涂料涂在坦克、艦艇、掩蔽部和其它軍事裝備上, 可以起到防輻射的作用。

4.2 在核技術上的應用

稀土氧化釔可用作沸水反應堆(BW R) 中鈾燃料的可燃吸收體。在所有元素中, 釓吸收中子的能力最強,每個原子約4 600 靶, 每個自然釓原子在失效前平均吸收4 個中子。當與可裂變的鈾混合時,釓可促進燃燒, 降低鈾的消耗并提高能量輸出。氧化釓不象碳化硼那樣產生有害的副產品氘,在核反應時既能與鈾燃料又能與它的包覆材料相配。用釓代替硼的好處是釓能與鈾直接混合,以防止核燃料棒膨脹。據統計, 目前全世界計劃興建的核反應堆149 座, 其中115 座壓水堆應用稀土氧化釓。稀土釤、銪和鏑已用作中子增殖反應堆的中子吸收劑。稀土釔在中子中俘獲截面小, 可用作熔鹽反應堆的管材。添加稀土釓和鏑的薄箔可用作航天、核工業工程中中子探場儀, 少量的稀土銩和鉺用作密封管中子發生器的靶材料, 稀土氧化銪—鐵金屬陶瓷用于制作改進型反應堆控制支承板。稀土釓還可以用作防中子彈輻射的涂料添加劑, 涂有含氧化釓的特殊涂料的裝甲車可防中子輻射。稀土鐿被用于測量地下核爆炸所引起的地應力的設備中。當稀土鐿受力時, 電阻加大,電阻的變化可用來計算所受的壓力。把氣相沉積、交錯涂敷的稀土釓箔和一個應力敏感元件相聯,可用于測量很高的核應力。

5 稀土永磁材料在現代軍事技術上的應用

被譽為新一代磁王的稀土永磁材料, 是目前已知的綜合性能最高的一種永磁材料。它比70 年代在軍事裝備中使用的磁鋼的磁性能高100 多倍。目前, 它已成為現代電子技術通訊中的重要材料, 用在人造地球衛星、雷達等方面的行波管、環行器中, 因此, 在軍事上有其重要的意義。

釤鈷磁體和釹鐵硼磁體在導彈制導系統中用于電子束致聚焦, 磁體是電子束的主要聚焦器件, 它將數據傳遞至導彈的操縱面。在導彈的每一個聚焦制導裝置中約在5~10 磅(2.27 ~4.54 ㎏) 磁體。此外, 稀土磁體還用于驅動電動機, 轉動制導導彈的方向舵, 其優勢在于較原用的鋁鎳鈷磁性強、重量輕。

6 稀土激光材料在現代軍事技術上應用

激光是一種新型光源, 它具有很好的單色性、方向性和相干性, 并且可達很高的亮度。激光與稀土激光材料是同時誕生的。到目前為止, 大約90% 的激光材料都涉及到稀土。例如:以釔鋁石榴石晶體是當今普及的一種在室溫下可獲得連續高功率輸出的激光器。固體激光器在現代軍事上的應用包括以下幾個方面。

6.1 激光測距

美、英、法、德等國研制的摻釹釔鋁石榴

石激光測距機可測距離達4 000～20 000 m , 精確5 m 。美國的M I, 德國的“豹”Ⅱ、法國的“勒克萊爾”, 日本的90 式、以色列的“梅卡瓦”, 還有英國最新研制的“挑戰者— 2”坦克等武器系統都采用了這類激光測距機。目前,有些國家正在研制新一代的人眼安全固體激光測距機, 其工作波段為1.5～2.1μm 。美國、英國的采用摻鈥氟化釔鋰激光器研制出手持式激光測距機, 其工作波段為2.06μm , 測距達3 000 m 。美國還與國際激光公司聯合采用摻鉺氟化釔鋰激光器, 研制出波長為1.73 μm 的激光測距機, 并大量裝備部隊。我國的軍用測距機激光波長1.06 μm , 測距200 ～7 000 m 。我國在發射遠程火箭、導彈和試驗通信衛星中均通過激光電視經緯儀在靶場測量中取得重要數據。

6.2 激光制導

激光制導炸彈是用激光進行終端制導。對目標照射激光采用每秒發出幾十個脈沖的Nd·YAG 激光器, 脈沖進行編碼, 光脈沖能自導導彈響應, 從而可防止導彈發射的干擾和敵方設置的障礙。如稱作“靈巧炸彈”的美軍GBV — 15滑翔炸彈。同理, 也可用于制造激光制導炮彈。

6.3 激光通訊

除Nd·YAG 可用作激光通信外, 四磷酸釹鋰晶體(LNP) 的激光輸出有偏振性, 易于調制, 被認為是最有希望的微型激光材料之一,適于光纖通信的光源, 并可望在集成光學和宇宙通信方面獲得應用。另外, 釔鐵石榴石(Y3Fe5O12) 單晶可用微波集成工藝來作各種靜磁表面波器件, 使器件集成化, 小型化, 在雷達遙控遙測、導航及電子對抗中有特殊用途。

7 稀土超導材料在現代軍事技術上的應用

當某種材料在低于某一溫度時, 出現電阻為零的現象即超導現象, 該溫度是臨界溫度(Tc)。超導體是一種抗磁體, 低于臨界溫度時,超導體排斥任何試圖施加于它的磁場, 這就是所謂的邁斯納效應。在超導材料中添加稀土元素可以使臨界溫度Tc 大大提高。這就大大推動了超導材料的研制和應用的發展。80 年代, 美、日等發達國家先后在氧化鋇、氧化銅化合物中添加了一定量的鑭、釔、銪、鉺等稀土氧化物, 經混勻、壓制及燒結而成超導陶瓷材料, 使超導技術的廣泛應用特別是在軍事上的應用更為廣闊。

7.1 超導集成電路

近年來, 國外開展了超導技術在電子計算機上的應用研究, 并用超導陶瓷材料研制成超導集成電路, 若用這種集成電路制造超導計算機, 不僅體積小、重量輕、使用方便, 而且運算速度比半導體計算機快10 ~ 100 倍, 每秒浮點運算達3 000 億次到10 000 億次。因而, 美軍方預言: 超導計算機一旦問世, 即成為部隊C1 系統戰斗力的“倍增器”。

7.2 超導磁探技術

用超導陶瓷材料制成的磁敏感元件體積小,便于實現集成化、陣列化, 可組成多渠道、多參數的探測系統, 使單位信息容量大大增加,并使磁探儀的探測距離和精度大為提高。用超導磁探儀不僅可以發現坦克、車輛及潛艇等活動目標, 而且能測定其尺寸, 從而使反坦克和反潛戰等戰術和技術發生重大變化。

據悉, 美國海軍已確定采用這種稀土超導材料研制一種遙感衛星, 用來演示和改進傳統的遙感技術。這種名叫海軍地球圖像觀測儀的衛星在2000 年已經發射。

8 稀土超磁致伸縮材料在現代軍事技術上的應用

稀土超磁致伸縮材料是國外八十年代末新開發的新型功能材料。主要是指稀土—鐵系化合物。這類材料具有比鐵、鎳等大得多的磁致伸縮值, 其磁致伸縮系數比一般磁致伸縮材料高約102 ~ 103 倍, 因此被稱為大或超磁致伸縮材料。在所有商品材料中, 稀土超磁致伸縮材料是在物理作用下應變值最高、能量最大的材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(Terfenol—D)的研制成功, 更開辟了磁致伸縮材料的新時代。當Terfenol—D 置于一個磁場中, 其尺寸的變化比一般磁性材料大, 這種變化使一些精密機械運動得以實現。目前廣泛用于多種領域, 從燃料系統、液體閥門控制、微定位到機械致動器太空望遠鏡的調節機構和飛機機翼調節器等領域。Terfenol—D 材料技術的發展使電—機械轉換技術獲得突破性進展。并對尖端技術、軍事技術的發展及傳統產業的現代化產生了重要的作用。稀土磁致伸縮材料在現代軍事上的應用主要有以下幾個方面:

8.1 聲納

一般的聲納發射頻率都在2 kHz以上, 但是低于此頻率的低頻聲納有其特殊的優越性: 頻率越低、衰減越小、聲波傳得越遠, 同時頻率低受到水下回聲屏蔽的影響就越小, 用Terfenol— D 材料制做的聲納可以滿足大功率、小體積、低頻率的要求, 所以發展得較快。

8.2 電—機換能器

主要用于小型受控動作器件———致動器。包括控制精度達納米級, 以及伺服泵、燃料注入系統、制動器等。用于軍用汽車、軍用飛機航天器、軍用機器人等。

8.3 傳感器和電子器件

如袖珍測磁儀、探測位移、力、加速度的傳感器以及可調諧的表面聲波器件等。后者用于雷、聲納的相位傳感器和計算機的存儲元件。

9 其他材料

其他如稀土發光材料、稀土貯氫材料、稀土巨磁阻材料、稀土磁致冷材料、稀土磁光存儲材料等都在現代軍事上有了成功的應用, 大大地提高了現代武器的戰斗力。例如稀土發光材料成功應用于夜視設備, 在夜視鏡中, 稀土熒光粉將光子(光能量) 轉化成電子, 電子在通過光纖顯微道平面的幾百萬個小孔被增強,互相從壁上來回反射, 釋放出更多的電子。在尾端的另一些稀土熒光粉則將電子重新轉化成光子, 于是用目鏡就能看到圖像了。這一過程與電視屏幕很相似,正是稀土熒光粉將某種彩色圖像發射至電視屏幕上。美國工業界通常使用五氧化二鈮, 但是, 要使夜視系統獲得成功, 稀土元素鑭是十分關鍵的成分。海灣戰爭中,多國部隊就是用這種夜視鏡一次又一次地觀測伊軍的目標, 以小小的代價換取大勝利。

10 結語

稀土工業的發展, 有力地推動了現代軍事技術的全面進步, 軍事技術的提高,又帶動了稀土工業的繁榮發展。筆者相信, 隨著世界科學技術的飛速前進, 稀土產品必將以其特殊的功能, 在現代軍事技術的發展中, 發揮更大的作用, 并為稀土行業本身帶來巨大的經濟效益和突出的社會效益。

稀土元素對鈦合金的影響

一、Y（釔）

 

 

 

 

 

 

 

 

二、Ce（鈰）

三、Nd(釹)

四、Gd(釓)

五、Er(鉺)

稀土對鋁及鋁合金的影響

稀土在鑄造鋁合金中的應用國外開展的較早，我國雖然從20世紀60年代才開始這方面的研究和應用，但發展很快，從機理研究到實際應用都做了大量工作，并取得了一些成果。伴隨稀土元素的加入，鋁合金的力學性能、鑄造性能、電學性能等都得到了極大地改善。在新材料領域，稀土元素豐富的光學、電學及磁學特性也發揮著重要的作用，用來制作稀土永磁材料、稀土發光材料、稀土貯氫材料等。

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稀土在鋁及鋁合金中的作用機理

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01稀土的凈化作用

 

 

圖1 未添加RE與添加w(RE)=0.3%的7075合金SEM形貌

a.未添加RE; b.添加w(RE)=0.3%

02 稀土的變質作用

圖2 不同RE加入量合金顯微組織圖

a.RE加入量為0; b.RE加入量為0.3%; c.RE加入量為0.7%

03 稀土的微合金化作用

稀土對鋁及鋁合金性能的影響

 

01 稀土對合金綜合力學性能的影響

 

圖3 拉伸斷口形貌

a.未加入RE; b.加入0.3%RE

02 稀土對合金高溫性能的影響

 

 

 

 

 

 

 

 

03 稀土對合金光學性能的影響

04 稀土對合金電學性能的影響

 

05 稀土對合金耐腐蝕性能的影響

 

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稀土鋁合金的制備技術

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稀土在鋁合金及其它合金中多以微量元素形式加入，稀土化學活性很高、熔點高、高溫下易氧化燒損等，這給稀土鋁合金的制備和應用研究造成了一定的困難。在長期的試驗研究中，人們不斷探索稀土鋁合金的制備方法。目前制備稀土鋁合金的生產方法主要有混熔法、熔鹽電解法和鋁熱還原法。

01 混熔法

混熔法是將稀土或混合稀土金屬按比例加到高溫鋁液中，制得中間合金或應用合金，將中間合金和按計算余量剩下的鋁再一起熔煉、充分攪拌、精煉。

02 熔電解法

熔鹽電解法是在電解鋁時，向工業鋁電解槽中加入稀土氧化物或稀土鹽類，同氧化鋁一起電解，以制取稀土鋁合金。熔鹽電解法在我國發展比較快，一般可以有兩種途徑即液態陰極法和電解共析法，目前已經發展到了可以直接把稀土化合物加入工業鋁電解槽里，用共析法電解氯化物熔體生產出稀土鋁合金。

03 鋁熱還原法

由于金屬鋁具有很強的還原能力，鋁又可以與稀土形成多種金屬間化合物，因此可以采用鋁作還原劑來制備稀土鋁合金。其主要化學反應如下式表示:

RE2O3 + 6Al→2REAl2 + Al2O3

其中，稀土原料可用稀土氧化物或稀土富渣；還原劑可采用工業用純鋁或硅鋁等；還原溫度1400℃～1600℃。早期是在有助熱劑和助熔劑存在的條件下進行的，而且還原溫度較高都會產生很多問題；近年來，研究人員研究出一種新的鋁熱還原法，在較低溫度(780℃)，在氟化鈉、氯化鈉體系中完成的鋁熱還原反應，避免了原來高溫產生的問題。

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稀土鋁合金的應用進展

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01 稀土鋁合金在電力行業中的應用

由于稀土鋁合金具有導電性好、載流量大、強度高、耐磨損、易加工、壽命長等優點可用于制造電纜線、架空輸電線、線芯、滑接線和特殊用途的細導線。在Al－Si合金系中加入微量的RE可以提高導電性，這是因為鋁合金中硅是含量較高的雜質元素對電性能的影響較大，而添加適量的稀土可以改善硅在合金中的存在形態和分布情況，能夠有效改善鋁的電性能；在耐熱鋁合金導線中加入少量的釔或富釔混合稀土后，不僅保持良好的高溫性能還可以提高導電率；稀土可以提高鋁合金系的拉伸強度、耐熱性和耐腐蝕性，采用稀土鋁合金的電纜、導線可以加大架設電纜線鐵塔的跨距，并延長電纜的使用壽命。

02 稀土鋁合金在建筑行業中的應用

在建筑行業應用最廣泛的是6063鋁合金，加入0.15%～0.25%的稀土，可以明顯改善鑄態組織和加工組織，可以提高擠壓性能、熱處理效果、力學性能、耐蝕性能、表面處理性能和色調。研究發現，在6063鋁合金中稀土主要分布在α－Al中和相界、晶界以及枝晶間，它們固溶在化合物中或以化合物的形式存在，細化枝晶組織和晶粒，使未溶共晶尺寸和韌窩區中的韌窩尺寸顯著變小，分布均勻，密度增加，使合金的各項性能得到不同程度的改善，如型材強度提高20%以上，延伸率提高50%，腐蝕速率降低一倍以上，氧化膜厚度增加5%～8%，著色性能提高3%左右。因此RE－6063合金建筑型材獲得廣泛應用。

03 稀土鋁合金在日用制品中的應用

在日用鋁制品用純鋁和Al-Mg系等鋁合金中添加微量稀土，能明顯提高力學性能、深沖性和耐蝕性。采用Al-Mg-RE合金制造的鋁壺、鋁鍋、鋁盤、鋁飯盒、鋁家具支架、鋁自行車和家電零部件等生活日用品，與未加稀土的鋁合金制品相比，耐腐蝕性提高2倍多，重量減輕10%～15%，成品率增加10%～20%，生產成本降低10%～15%，且具有更好的深沖和深加工性能。目前，稀土鋁合金日用品獲得了廣泛的應用，產品大幅增加，暢銷國內外市場。

04 稀土鋁合金在其它方面的應用

在用量最多的鋁硅系鑄造合金中，加上千分之幾的稀土，就能明顯改善合金的機械加工性能，已有多種牌號的產品用于飛機、船舶、汽車、柴油機、摩托車和裝甲車(活塞、齒輪箱、汽缸和儀器儀表等器部件)等方面。在研究和應用中發現，Sc是優化鋁合金組織性能的最有效元素，對鋁有很強的彌散強化、細晶強化、固溶強化和微合金強化作用，可以提高合金的強度、硬度、塑性、韌性、抗蝕性、耐熱性等。Sc-Al系合金已應用于航天航空、艦船、高速列車、輕型汽車等高新技術工業。美國航天局開發的C557Al-Mg-Zr-Sc系鈧鋁合金具有高強度和高溫與低溫穩定性已應用于飛機機身與飛機結構件；俄羅斯研究開發的0146Al-Cu-Li-Sc系合金已應用于航天器低溫燃料貯箱。

稀土對銅及銅合金的影響

稀土在銅及銅合金中的作用

表1稀土元素在銅熔液中與氧、硫元素的熱力學性質研究結果（1200℃）

表2某些雜質元素與稀土元素生成的化合物的熔點

 

1 稀土的脫氧、除氣作用

2 脫氫

 

3 除雜

4 稀土在銅及銅合金中的變質作用

 

 

 

4 耐磨性

稀土和銅元素可以形成硬度較高、分布均勻的金屬間化合物，這些化合物成為位錯運動的阻力;而且稀土可以有效地改善夾雜物的存在形式和分布，減少其弱化晶界的可能，減少了承受載荷時沿晶界開裂的幾率，因而提高了耐磨性。含有稀土的鑄造黃銅的組織為α相基體上分布著β相及κ相(FeAl)，其中α相較軟，保證了銅合金具有一定的塑性，而β相及κ相較硬，提高了合金的強度和耐磨性，同時組織中還存在稀土與雜質反應而形成的圓球狀金屬間化合物，這種金屬間化合物具有很高的硬度。因此含有稀土的鑄造黃銅具有較高的硬度及良好的塑性及韌性，可以縮短跑合階段的時間，延長穩定磨損的階段，從而達到減少磨耗，延長工件使用壽命的目的。在高錳鋁青銅中添加Ce和B，可使其干摩擦磨損減少20%左右，潤滑摩擦磨損量減少50%左右。

稀土元素對鎂合金力學性能的影響

鎂及其合金作為現階段最輕的金屬結構材料，具有低密度、高比強度和比剛度、高阻尼性、良好的導熱性、優良的機加工性、穩定的零件尺寸、易回收等優點，在航空、航天、汽車工業、運輸、電子、通訊、計算機等行業有廣泛的應用。

鎂合金由于力學性能不夠高、耐蝕性差等不足，限制了鎂合金在生產生活中的廣泛應用，而當添加少量稀土后，鎂合金各種性能可得到大幅提升。稀土元素位于元素周期表的Ⅲ B族，原子的最外層電子結構相同，都是2個電子，次外層電子結構相似，倒數第3層4f軌道上的電子數從0～14各不相同；化學性能相差不大，化學性質都很活潑。鎂合金和稀土元素都是密排六方晶體結構，因此稀土元素在鎂合金中都有較大的固溶度。稀土元素中除了Sc以外，其余的16個元素都可以與Mg組成共晶相，大多數的稀土元素在Mg中的固溶度都是很大的，表1列出了稀土元素在鎂中的最大固溶度及與鎂基固溶體共存的化合物相。

表1 稀土元素在鎂中的最大固溶度及與鎂基固溶體共存的化合物相

稀土元素對Mg合金凈化和細化晶粒的影響

鎂元素化學性質活潑，易與O2和H2O反應形成MgO，使得鎂合金中含有氧化夾雜物，降低了鎂合金的質量和使用性能。氧化夾雜物一般存在于鎂合金鑄件的基體或晶界上，導致合金產生疲勞裂紋，且降低了力學性能和耐腐蝕性能等。而稀土元素的添加，不僅可以減少夾雜物的數量，還能細化晶粒，提高合金的性能。

當稀土元素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。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%（質量分數）的3.2μm，降幅高達77%。

稀土元素對Mg合金力學性能的影響

01 Mg-Al-RE系

Mg-Al系鎂合金是目前牌號最豐富、應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Mg-3%Al基合金添加稀土元素后，α-Mg枝晶變細，金屬間化合物β-Mg17Al12相由Al11RE3和Al2RE所替代。Al11RE3和相基本穩定在200℃，當溫度繼續升高時，Al11RE3相會轉變為Al2RE相。這也說明了，Al11RE3的穩定性是有條件的。

添加稀土元素后，不管是在室溫還是200℃，合金的強度均增加，延伸率也一直保持較高水平。添加稀土元素后強度提高可能與以下因素有關：首先，大量的金屬間化合物Al11RE3的形成，對枝晶邊界的強化起到了很大的作用；其次，添加稀土元素細化了枝晶臂，促進強度的提高；最后，添加稀土元素，特別是Y，會通過固溶強化提高Mg基體的強度。

我們通過Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn和Mg-Al-Sn系列詳細介紹稀土元素對Mg-Al系合金力學性能的影響。表2列出了部分典型的添加稀土的Mg-Al系合金的狀態及力學性能。

表2 Mg-Al-RE系合金的力學性能

 

1 Mg-Al-Zn-RE系

目前工業上最常用的Mg-Al系鎂合金是Mg-Al-Zn系列，其中性能比較好的是AZ91鑄造鎂合金，AZ31和AZ61變形鎂合金。AZ91鎂合金的成形性能很好，廣泛應用于壓鑄行業，可以壓鑄生產出結構復雜的工件；AZ31鎂合金和AZ61鎂合金有較強的變形能力，被用來生產各種鎂合金鍛壓件和擠壓件。

稀土元素Y對AZ91合金的性能有較大的影響。未添加Y的鑄態AZ91合金中主要是連續的共晶相Mg17Al12，當添加Y后，析出物發生了很大的改變：當Y的添加量為0.3%（質量分數）時，合金中沒有發現Y的析出物；當Y的添加量在０0.6%~0.9%（質量分數）之間時，新的Al2Y相形成，而Mg17Al12相的生長形貌發生了變化；當Y的添加量進一步增多到1.2%（質量分數）時，Al2Y相更粗糙，而Mg17Al12相轉變為棉花狀結構。

圖１給出了隨著Y添加對AZ91合金強度的影響的關系。從圖１可以看出，不管是室溫還是200℃的有效溫度下，添加Y的AZ91-Y合金強度高于未添加的AZ91合金。屈服強度和抗拉強度都隨著Y含量的增加而增加；當Y含量在0.6%~0.9%之間時，強度值達到最大；但當Y含量超過0.9%，強度有減弱的趨勢。強度增強的原因可能是：應力從比較軟的鎂合金基體有效地轉移到了強化相Al2Y相，使得強度增大；穩定的Al2Y相成為阻礙位錯滑移的障礙，使更多的位錯聚集在Al2Y相附近，增強了位錯強化。同樣，對于300℃下擠壓的AZ91D合金及添加稀土元素的AZ91D+Y合金，稀土元素Y能夠提高合金的強度。當Y的含量為2%（質量分數）時，合金的力學性能最好。對比AZ91合金，Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1Nd合金具有更優的拉伸強度，其抗拉強度可以達到481MPa，但是延伸率較低，只有5%。

圖1 Y添加度對AZ91合金強度的影響

研究Gd對Mg-2Al-1Zn性能的影響時發現，室溫下Mg-2Al-1Zn-4Gd合金具有最高的屈服強度，而延伸率是最低的。同樣在200℃，Mg-2Al-1Zn-4Gd合金也表現出最優的屈服強度和抗拉強度。這說明Mg-2Al-1Zn-4Gd合金有比較好的熱穩定性。整體來說，隨著溫度的升高，合金的拉伸性能減弱，延展性提高。

2 Mg-Al-Mn-RE系

Mg-Al-Mn系鎂合金主要有AM60A、AM60B、AM50A和AM20等系列。室溫下Mg-Al-Mn系鎂合金強度不高，不過其脆性低，變形能力強，一般用來制造汽車車輪、方向盤、座椅架等重要零部件。為了提高其強度，可以通過添加稀土元素，如Ce、Y等。

稀土元素Ce對Mg-5Al-0.3Mn合金的力學性能影響較大。不含Ce的Mg-5Al-0.3Mn合金的力學性能很差，其抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為158,64MPa和8%。隨著Ce含量的增多，合金的拉伸性能提高。當Ce的添加量為1.5%時，合金的拉伸性能最好，相對不含Ce的Mg-5Al-0.3Mn合金，其抗拉強度、屈服強度和延伸率的漲幅分別為28.5%,37.5%和150%。但當Ce的添加量進一步增大時，合金的拉伸性能又開始減弱。

當Ce添加到Mg-5Al-0.3Mn合金中，會沿著晶界生成Al11Ce3，Al11Ce3相能夠有效地阻礙位錯運動和晶界滑移；此外，隨著Ce元素的添加，β-Mg17Al12相的形貌細化為顆粒狀且體積分數減小，這都是導致Mg-5Al-0.3Mn-1.5Ce合金力學性能提高的重要原因。但當Ce的添加量較大后，其力學性能減弱，這是因為擁有團簇結構的Al11Ce3相大量形成。這種團簇結構使得α-Mg基體分割為很多小的區域。因而，在Al11Ce3相和α-Mg基體界面間容易產生裂縫。因而可以得出，Al11Ce3相的形貌和含量對提高Mg-5Al-0.3Mn合金的力學性能影響重大。

單純的添加稀土元素對力學性能的提高是有限的，后續的加工處理是提高強度的有效途徑。將力學性能最好的Mg-5Al-0.3Mn-1.5Ce合金熱軋，熱軋后合金的抗拉強度和屈服強度比鑄態時均提高，分別為318和225MPa（漲幅分別為57%和156%），但延伸率減小到9%。抗拉強度和屈服強度提高是因為熱軋會發生動態再結晶過程，使得晶粒尺寸會顯著減小；長針狀Al11Ce3相在熱軋過程中會斷裂成很多小的部分，減緩切削效應；且斷裂的Al11Ce3相通過位錯的相互作用和變形過程中的釘扎作用能顯著提高合金的強度。

研究發現稀土元素Y也能提高Mg-5Al-0.3Mn-xY（x=0,0.3%，0.6%，0.9%（質量分數））合金的拉伸強度和微觀硬度。當Y的含量從0增加到0.9%（質量分數）時，鑄態合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率分別從179,56MPa和11.8%提高到192,62MPa和12.6%；軋制態合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率分別從293,221MPa和10.3%提高到303,255MPa和17.1%。

合金的微觀硬度和拉伸性能提高是因為高熔點（1758K）的Al2Y是合金的主要析出物，相比β-Mg17Al12相，Al2Y相在高溫下具有更高的熱穩定性。在熱軋過程中，Al2Y相可以有效地阻礙升溫過程中的位錯運動和晶界滑移；在變形中，由于位錯增殖和新位錯的形成，合金中位錯密度增大。隨著位錯密度的增大，其它位錯阻礙位錯運動變得更加顯著。因此，施加壓力需要根據金屬變形程度的增加而增加；并且Y的添加和熱軋使得晶粒細化，因此力學性能特別是屈服強度提高。

3 Mg-Al-Sn-RE系

Sn添加到鎂合金中，并與少量的鋁結合是非常有用的。Sn不但能提高鎂合金的延展性，還能降低熱加工時的開裂傾向，對錘鍛非常有利。添加到Mg-Al-Sn系鎂合金中的稀土元素一般有Ce、Y、Nd等。

室溫下稀土元素Ce能顯著提高Mg-4Al-2Sn-1Ca合金的拉伸強度和延伸率。這可能是合金內CaMgSn相的細化和含Ce合金的晶粒尺寸變小。室溫下，當Ce的添加量為1%（質量分數）時，合金具有最優的力學性能，其抗拉強度、屈服強度和延伸率分別可以達到194.95MPa和11.4%。

圖2分別表示了Mg-4Al-2Sn、Mg-4Al-2Sn-0.9Y、Mg-4Al-2Sn-0.9Nd、Mg-4Al-2Sn-0.5Y-0.4Nd鑄態合金的力學性能，可以看出Y和Nd的相對含量也會影響Mg-4Al-2Sn-xY-yNd（x+y＝0.9%（質量分數））合金的力學性能。從圖2可以看出所有合金的屈服強度都在70MPa左右。當Y的含量為0.5%（質量分數），Nd的含量為0.4%（質量分數）時，合金的力學性能最優，其屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為70,225MPa和23.2%。

圖2 Mg-4Al-2Sn、Mg-4Al-2Sn-0.9Y、Mg-4Al-2Sn-0.9Nd和Mg-4Al-2Sn-0.5Y-0.4Nd合金的力學性能

02 Mg-Zn-RE系

Mg-Zn系合金廣泛應用于變形鎂合金，具有較好的可時效強化能力。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，合金的力學性能均得到提高，這是因為稀土元素能夠細化晶粒，而且在合金中會形成強化相，提高合金的強度。表3列出了部分典型的添加稀土的Mg-Zn系合金的狀態及力學性能。

表3 Mg-Zn-RE系的力學性能

在鑄態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%。

單純研究鑄態合金添加稀土元素并不能滿足合金對強度的需求，越來越多的研究者開始研究變形和添加稀土雙重效應對合金性能的影響。對比研究鑄態和擠壓態Mg-5.0Zn-0.9Y-0.16Zr合金發現，擠壓后合金的力學性能得到大幅度改善，抗拉強度、屈服強度和延伸率分別從168，105MPa和1.8%增強到363,317MPa和12%。力學性能的提高歸因于合金擠壓后晶粒細化的作用。擠壓后的Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce合金的力學性能也得到改善，屈服強度從209MPa增強到232MPa，抗拉強度基本保持不變，延伸率從11.5%增大到14.7%。相比鑄態Mg-12Zn-1.5Er合金，擠壓態合金的力學性能得到了顯著改善，如圖3所示。擠壓后合金的屈服強度最高可達318MPa，抗拉強度達到359MPa。在典型擠壓態Mg-3.5Zn-0.6Gd合金的應力-應變曲線中，可以看出合金具有較優的強度和塑性，即抗拉強度為308MPa，屈服強度為219MPa和延伸率為16.4%。

圖3 室溫下鑄態和擠壓態Mg-12Zn-1.5Er合金的應力-應變曲線

在擠壓變形過程中，擠壓比和擠壓溫度對添加稀土元素的合金性能也有影響。Qiang　Chen等制備了Mg-5.3Zn-1.13Nd-0.51La-0.28Pr-0.79Zr合金，并研究了擠壓比和擠壓溫度對合金性能的影響。研究發現，合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率均與擠壓比有關。這個變化可以分為兩步，當擠壓比從0~9時，抗拉強度、屈服強度、延伸率變化顯著，抗拉強度從169MPa提高到309MPa；而當擠壓比從9變化到100時，抗拉強度、屈服強度、延伸率的提高很微弱。該作者繼續研究了不同擠壓溫度對合金力學性能的影響，研究表明，隨著擠壓溫度的升高，合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率均減小。當擠壓溫度為250℃~350℃時，變化不明顯，但當擠壓溫度從350℃變化到400℃時，抗拉強度、屈服強度、延伸率分別從324，278MPa、12%減小到267，208MPa、5%，變化相比別的階段比較顯著。

03 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，通過固溶強化和形成細小彌散的金屬間化合物來提高Mg-Li合金的力學性能。在Mg-Li合金中添加的稀土元素種類很多，如Y、Ce、Nd等。表4列出了部分典型的添加稀土的Mg-Li系合金的狀態及力學性能。

表4 Mg-Li-RE系的力學性能

Y添加到Mg-7Li合金會形成富Y的α-Mg相和Mg24Y5兩種析出物，并且隨著Y的含量增加，α-Mg相出現明顯細化。綜合強度和延伸率，Mg-7Li-3Y合金具有最優的力學性能，即其抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為160,144MPa和22%。Y的添加量超過3%（質量分數），強度有微弱增大，但延伸率顯著減小。研究Y對Mg-8Li-（1,3）Al合金力學性能的影響發現，軋制態下的LAY831合金拉伸強度達到230MPa，擠壓態LAY811合金延伸率達到60%，在塑性變形條件下AlY中間相的形成和α相的減少明顯改善合金力學性能。

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，合金的拉伸強度隨著添加量的增多而提高，但當添加量多余1.5%（質量分數），拉伸強度變弱。延伸率的變化趨勢和拉伸強度一樣，當添加量為1.5%（質量分數）時，Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE具有最優的拉伸強度和延伸率，分別為206.5MPa和14.4%。

Nd也能提高合金的拉伸強度和延伸率，當Nd含量為2.0%（質量分數）時，Mg-8Li-3Al合金抗拉強度達到峰值185.95MPa，當Nd含量為1.6%（質量分數）時，延伸率達到峰值16.3%。力學性能提高歸因于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。

04 其他

還有其它一些添加稀土元素合金的相關性能列出在表5中。對于Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金，隨著擠壓溫度的升高，抗拉強度和屈服強度有輕微的減弱；相反，時效后隨著擠壓溫度的升高，抗拉強度和屈服強度增大。當合金在200℃時效16h，在400℃擠壓的合金具有最優的力學性能，即抗拉強度達到400MPa，屈服強度超過300MPa，延伸率達到7%。而Mg-10Gd-2Y-0.5Zr合金在14次的循環擠壓-壓縮過程后，屈服強度、抗拉強度和延伸率的漲幅分別為20%，8.2%和150%。

表5 其他合金的力學性能

將稀土元素Ｃｅ添加到Mg-3Sn-2Ca合金中，當Ce的添加量達到1.5%（質量分數）及以上，合金的力學性能有較大的提高。當Ce添加量為2%（質量分數）時，室溫下抗拉強度、屈服強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也能提高合金的強度，當添加量為1.5%（質量分數）時，合金的力學性能最優，即室溫下抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為150,137MPa和3.2%，增幅分別為18.1%，22.3%和68.4%，相應的150℃時的增幅分別為19.8%,24%和54.9%。