中國粉體網訊 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。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％。
1.稀土元素對Mg合金力學性能的影響
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A12RE所替代。
Al11RE3相基本穩(wěn)定在200℃，當溫度繼續(xù)升高時，Al11RE3相會轉變?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。
1.2 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。
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(tài)和擠壓態(tài)Mg-5.0Zn-0.9Y-0.16Zr合金發(fā)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(tài)M-12Zn-1.5Er合金，擠壓態(tài)合金的力學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。
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(yōu)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。BinJiang等.研究了Ce和Y對Mg-8Li-2Zn合金性能的影響。研究發(fā)現，在Mg-8Li-2Zn合金中添加0.5％(質量分數)的Ce和Y能夠提高強度且同等條件下Y的效果比Ce更顯著。0.5％(質量分數)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(yōu)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(huán)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％。
將稀土元素Ce添加到M-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(yōu)，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％。在ChengWeili的研究中同樣發(fā)現Ce能提高Mg-5Sn-4Zn的力學性能。
2.結語
我國在稀土新材料的開發(fā)與應用上與發(fā)達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，其加入的質量分數不高，進一步開發(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度，但是合金的塑性不高，在汽車、摩托車等應用上的制作工藝復雜，使得稀土鎂合金至今的產業(yè)化還沒實現。
但是我國有豐富的鎂和稀土資源，是鎂和稀土的儲備、生產、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、通訊等領域的應用，還可以促進其在新型領域的進一步開發(fā)和利用。
1.稀土元素對Mg合金力學性能的影響
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A12RE所替代。
Al11RE3相基本穩(wěn)定在200℃，當溫度繼續(xù)升高時，Al11RE3相會轉變?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。
1.2 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。
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(tài)和擠壓態(tài)Mg-5.0Zn-0.9Y-0.16Zr合金發(fā)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(tài)M-12Zn-1.5Er合金，擠壓態(tài)合金的力學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。
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(yōu)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。BinJiang等.研究了Ce和Y對Mg-8Li-2Zn合金性能的影響。研究發(fā)現，在Mg-8Li-2Zn合金中添加0.5％(質量分數)的Ce和Y能夠提高強度且同等條件下Y的效果比Ce更顯著。0.5％(質量分數)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(yōu)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(huán)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％。
將稀土元素Ce添加到M-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(yōu)，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％。在ChengWeili的研究中同樣發(fā)現Ce能提高Mg-5Sn-4Zn的力學性能。
2.結語
我國在稀土新材料的開發(fā)與應用上與發(fā)達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，其加入的質量分數不高，進一步開發(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度，但是合金的塑性不高，在汽車、摩托車等應用上的制作工藝復雜，使得稀土鎂合金至今的產業(yè)化還沒實現。
但是我國有豐富的鎂和稀土資源，是鎂和稀土的儲備、生產、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、通訊等領域的應用，還可以促進其在新型領域的進一步開發(fā)和利用。
