论压铸稀土镁合金的现状及未来发展趋势

            合金是工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度高、比刚度高、减震性高、易加工、易回收等优点，在航天、军工、电子通讯、交通运输等领域有着巨大的应用市场，特别是在全球铁、铝、锌等金属资源紧缺大背景下，镁的资源优势、价格优势、产品优势得到充分发挥，镁合金成为一种迅速崛起的工程材料。面临国际镁金属材料的高速发展，我国作为镁资源生产和出口大国，对镁合金开展深入研究和应用前期开发工作意义重大。


            镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，密度约1.8g/cm3，具有质量小、强度高、铸造性能、切削加工性能好等优点，被誉为“21 世纪绿色工程材料”。 按照成形方法的不同，镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金。 而压力铸造（以下简称 “压 铸”）是铸造镁合金最主要的成形工艺[4]。 压铸是一 种精密的铸造方法，由压铸铸成的产品质量好，表面精度高，组织致密，具有较高的硬度和强度。目前，压 铸镁合金被广泛用于轨道交通、汽车、摩托车、3C 产 品（计算机、通讯、消费电子）、航空航天等领域。在工程应用中，常见的商用压铸镁合金为 Mg-Al 系合 金， 主要包括 AZ 系（Mg-Al-Zn）合金、AM 系（Mg-Al-Mn）合金，这两个系列的镁合金占压铸镁合金用量的90%以上。上述两种合金系的主要强化相都为低熔点 Mg17Al12 相，熔解温度为 437℃。 当使用温度高于120℃时，Mg17Al12 相的软化及晶界附近 富Al的过饱和固溶体的 Mg17Al12 相非连续析出会导致合金力学性能和抗蠕变性能的迅速降低。因此，提高合金的力学性能和耐热性能成为目前压铸镁合金关注的热点。

稀土元素是提高镁合金力学性能及耐热性能的重要元素，近些年来，稀土元素对压铸镁合金组织及性能影响的研究日益受到重视，稀土元素在压铸镁合金中得到了广泛的应用。本文主要对稀土压铸镁合金最新的研究现状及发展趋势进行综述， 并分 析稀土及其它合金元素对压铸稀土镁合金力学性能及耐热性能的影响，为稀土压铸镁合金结构材料的研究和应用提供一定的参考。



1 压铸稀土镁合金的研究现状

1.1 Mg-Al-Zn-RE 系

AZ 系合金是目前应用最广泛的压铸镁合金材料，典型的型号为 AZ91（Mg-9Al-0.7Zn）合金。它具有较低的成本、优良的铸造性能、较高的室温强度等优点，但它的高温耐热性能差。 因此，通过提高 AZ 系合金的耐热性能，可极大地拓宽其应用领域。 Cui 等研究发现：在压铸 AZ91 合金中加入 0.4wt%Pr 后，合金中出现了细小的针状 Al11Pr3 相和 少量的 Al6Mn6Pr 相；当 Pr 的含量超过 0.8wt%后， Al11Pr3 相及 Al6Mn6Pr 相数量增加，尺寸急剧粗化，导致了合金力学性能的降低。 AZ91-0.8wt%Pr 合金 具有较优异的力学性能，其室温抗拉强度、屈服强度 和伸长率分别为 228、137MPa和 6.8%。Tong 等研究了 Ce、Nd、Y 分别对压铸 AZ91 镁合金组织和力学性能的影响，结果表明：与 Nd、Y 元素相比，相同 含量的 Ce（1.0wt%）产生的晶粒细化效果更明显，但 由于 Nd、Y 元素的固溶强化作用， 加入 Nd、Y 元素更能提高合金的力学性能。 加入 1wt%Nd 或 Y 后，合金的室温抗拉强度、屈服强度分别为：264、182 MPa 和 272、184MPa。 在 150℃、50MPa、100h 条件 下进行的蠕变实验表明：分别加入 Ce、Nd、Y 元素后， 合金的抗蠕变性能大幅度提高，尤其是加入 1wt%Nd 或 Y 后，合金的最大蠕变量分别为 0.14%和 0.11%； 原因归结于晶粒细化和热稳定性优异的 Al2Nd 或 Al2Y 相。 Zhang等系统研究了少量 Y 对压铸 AZ91 合金组织和力学性能的影响，结果表明，相比其他轻 稀土元素，Y 更能提高合金的强化效果及抗蠕变性 能。 随着 Y 含量的增加，合金晶粒及晶界处的组织明显细化。 由于加入 Y 含量较少（≤0.8wt%），合金 中生成的 Al2Y 相数量很少。 细化的晶粒及晶界第 二相与 Y 的固溶强化的共同作用使得 AZ91-0.8Y 合金具有优异的常温及高温力学性能， 合金在室温 及 150℃高温的抗拉强度、 屈服强度、 伸长率分别 为：270、160MPa、11%和 152、135MPa、30%。 在 150 ℃、50 MPa、100 h 条件下进行的蠕变实验表明， AZ91-0.8Y 合金拥有最低的蠕变速率和蠕变量，分 别为 1.53×10-9s-1 和 0.25%。 但由于 Al2Y 相数量很少，不能钉扎住晶界滑移，合金的最小蠕变量明显高 于 Tong等研究结果。 此外，有文献表明，随着 Y 含量（（0～2）wt%）的增加，重力铸造 AZ91 合金的常温及高温力学性能随之提高。 因此，有必要进一 步研究添加更多 Y 含量对压铸 AZ91 合金力学性能 和抗蠕变性能的影响。张德平等研究了少量的铈镧混合稀土（（0～1.0）wt%）对 AZ91D 压铸镁合金 显微组织和蠕变性能的影响。 结果表明： 加入铈镧混合稀土有效地细化了合金的微观组织，抑制低熔点 Mg17Al12 相的数量与尺寸，而且在晶界生成针状 高温热稳定 Al11(Ce，La)3 相；随着铈镧混合稀土含量从 0.1%增加到 0.5%， 合金在常温及 150℃高温 的力学性能达到最大值，其抗拉强度、屈服强度、伸 长率分别为 245、188 MPa、3.6%和 158、132 MPa、 12%。 力学性能提高的原因归结于晶粒细化作用和Al11（Ce，La）3 相的弥散强化作用。 同时，对合金在 150℃、50MPa、100h条件下进行的蠕变实验表明，合金的蠕变量和蠕变速率随着铈镧混合稀土含量的 增加而降低。 这是因为 AZ91D合金的蠕变机制主 要以晶界滑移方式为主， 铈镧混合稀土的加入阻碍 与减缓了蠕变拉伸过程中的晶界滑移， 减小晶界转 动的幅度，致使合金的蠕变性能提高。加入 1.0wt% 铈镧混合元素后，合金在 150℃、50MPa、100 h 条件 下的最大蠕变量由 1.05%降低到 0.85%。 由此可见，与单独添加 Ce 相比，复合添加多种稀土元素更能提高合金的力学性能和抗蠕变能力。 适当减少 Al 的含量能够在力学性能降幅不大的情况下， 提高合金的耐热性能。朱志兵等在压铸 AZ81 合金加入（1～3）wt%的富铈混合稀土（主要成分铈镧），发现： 随着稀土量的增加，合金的第二相含量随之增加，晶 粒细化；当加入 1wt%的富铈混合稀土时，由于细晶 强化、 固溶强化及第二相强化的共同作用引起合金 具有较优异的常温及高温力学性能， 合金的常温抗 拉强度、 屈服强度、 伸长率分别为 265、230MPa、 6%。 继续增加稀土含量，晶界处第二相的粗化及基 体中铝固溶度的降低，导致合金力学性能的下降。但 是， 由于稀土量的增加导致热稳定性能优良的稀土 第二相数量增加， 这些稀土第二相在高温下能够钉 扎住晶界，使晶界扩散渗透性减少，从而提高合金的抗 蠕变性能。 加入 2.5wt%的稀土含量时，合金具有较 优异的耐热性能，其在 150℃、50MPa、100h条件下 的总蠕变量 0.102mm，稳定蠕变速率为 6.7×10-6s-1。 Wang 等研究了复合添加 Y、Ca 对压铸 AZ91合金 组织和力学性能的影响， 表明复合添加合金元素可以更明显细化合金晶粒，且降低成本。随 Ca 含量的增加，Al2Y 相尺寸减小，分布更加弥散，导致合金力 学性能提高。 AZ91-1Y-1.5Ca 合金具有优异的高温力学性能，在 200℃的高温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为：218、131MPa 和 6.4%。 RE 对压铸 AZ 系镁合金力学性能的影响如表 1 所示。





1.2 Mg-Al-Mn-RE 系

在 AZ 系合金中，高 Al 含量导致合金的塑性和抗蠕变性能降低。 因此，通过降低 Al 含量开发出了 压铸 AM40、AM50、AM60（不含锌）等合金。虽然主要析出相仍为低熔点Mg17Al12 相，长期使用温度也不能 超过 120℃，但与 AZ 系合金相比，由于 Mg17Al12 相 数量的减少，合金具有更好的耐热性能。 目前，国内外研究者主要通过添加稀土元素， 减少甚至消除 Mg17Al12 相，从而提高它的高温强度和抗蠕变性能。 FarukMERT 等研究了少量 Ce[（0～1.0）wt%]对压 铸 AM50 合金组织与力学性能的影响，发现加入的 Ce 含量大于 0.5%后， 合金中的 Mg17Al12 相基本消失，主要强化相为 Al11Ce3 相。 合金的室温及高温力 学性能随 Ce 含量的增加而提高， 但由于加入的 Ce 含量较少，力学性能提高幅度不大。 Zhang 等研究 了 Ce（0～6wt%）对压铸 AM40 合金组织与力学性 能的影响。 结果表明，相比 FarukMERT 等的研 究，当加入 Ce 元素的含量超过 1wt%后，合金的第二相除了 Al11Ce3 相之外，还出现了（Al，Mg）2Ce 相。 加入（4～6）wt%Ce 可显著提高合金的高温性能，尤 其是合金在 150～250℃的屈服强度相比常温降幅不大，比 AM40 合金提高了近 60%；AM40-4Ce 合金 在常温及 150℃高温的抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为：250、157MPa、11%和 154、123MPa、25%。 力学性能的提高是因为晶粒细化作用及晶界处热稳定 性好的 Mg11Ce3 相阻碍位错的运动。 此外，对AM404.0Ce 合金在 200℃、70MPa、96h 条件下进行蠕变实 验， 合金最大蠕变量为 0.19%， 稳态蠕变速率为 2.79×10-8。 进一步增加 Ce 的含量，蠕变量继续降低 仅为 0.17%。 Bai 等研究了 La 对压铸 AM40 合金 微观组织和力学性能的影响。 发现加入 La 同样能 有效细化晶粒尺寸，随着 La 的增加，合金晶界处形成了连续网状相， 当加入 4wt%La 后， 合金中 Mg17Al12 相完全消失。 但与加入 Nd、Ce、Pr 等元素不同，加入少量 La 后，合金没有 Al2La 相生成，而是优 先形成了 Al11La3 相， 这是因为 La 优先偏析形成 Al11La3 相。同时对合金进行了力学性能及抗蠕变性能测试， 发现 AM40-4La 合金具有较优的力学性能及抗蠕变性能，其在 175℃高温的抗拉强度、屈服强 度和伸长率分别为 141、110 MPa 和 39%， 在 70 MPa、175℃、100h 的最大蠕变量仅为 0.1%。 通过与 Ce 对比，La 更能有效提高合金的耐热性能。于彭等研究了 Pr对压铸 AM40合金微观组织和力 学性能的影响。结果表明，加入 Pr 后，合金的晶粒尺 寸迅速变小；加入 6wt%Pr 时，合金的平均晶粒尺寸 由 30μm 减少到 11μm。 随着 Pr的加入，Mg17Al12相的特征峰消失，Pr的含量小于 4wt%时，合金中主要 的 Al-Pr相为 Al2Pr相；进一步增加 Pr含量时，Al11Pr3 相随之明显增多。 AM40-4.0Pr 合金具有较优异的力学性能，其室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别由 263、150MPa和 16%；继续增加 Pr的含量，合金中块 状 Al2Pr 相的数量及尺寸增加， 对基体产生割裂作 用，使合金力学性能降低。 此外，AM40-4Pr 合金在 200℃以下都具有较好的高温力学性能，200℃时的 高温抗拉强度、 屈服强度和伸长率分别为 128、112 MPa和 31%。 合金优异的室温和高温力学性能是因 为大量热稳定性良好的 Al2Pr 相和 Al11Pr3 相在合金 晶界附近形成。 相比 La、Ce 元素，Nd 更能提高压铸 镁合金的力学性能。 通过对压铸 AM40-Nd 合金的研究表明，合金中存在着 Al2Nd 及 Al11Nd3 两种相，Al2Nd 相为初晶相，Al11Nd3 为包晶反应产生的 相。 因此，Al11Nd3 相只存在于高 Nd 含量的合金中，加入少量的 Nd（1wt%），合金的力学性能提高明显，其室温抗拉强度、 屈服强度和伸长率分别提高了 34、 45MPa和 9%， 达到 244、150MPa、12%； 继续增加 Nd 含量到 6%，其室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分 别为 261、165MPa、12%。由此可见，合金的常温力学性能提高幅度不大， 但是 Nd 的加入能极大地提高合金的高温力学性能。 相比 AM40 合金，加入 6wt% Nd 后， 合金在 200℃的高温屈服强度由 60MPa 提 高 102MPa，提高了 70%。 由于 Nd 价格昂贵，在合金设计时， 应降低 Nd 的含量或采用其他替代元素降 低成本。 添加一种稀土元素对合金的力学性能提高 有限，而加入多种稀土元素时，由于多种稀土元素间的 相互作用，可明显改善合金的力学性能。 Yang 等研究了通过复合添加 La、Sm 元素提高压铸 AM40 合金的力学性能。 结果表明，在 AM40-3La-2Sm 合 金中，发现了四种 Al-(La，Sm)相，两种为 AE44 合金中常见的块状 Al2(Sm，La)相及针状 Al11(La，Sm)3 相， 另两种为不常见的花瓣状 Al11(La，Sm)3 相和铁锤状 Al2(Sm，La)相，其中，La 富集在针状 Al11(La，Sm)3 相 中，而 Sm 则富集在其它三种相中。由于拥有体积分 数更大的 Al2(Sm，La)相及更细小的晶粒，合金在常 温下的抗拉强度、 屈服强度和伸长率分别为 266、170 MPa和 11.2%，200℃的高温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了 134、109MPa 和 24%。 Yang 等还研究了微量 Sr（（0～0.5）wt%）对 AM40-4La 合金的组 织及力学性能的影响，发现加入少量 Sr 对合金的晶粒 没有明显的细化作用，仅有少量 Al4Sr 相生成， 但 Sr 的加入改变了合金晶界处共晶组织的形貌。 此外，随着 Sr 的加入，合金的力学性能明显提高，AM40-4La0.25Sr具有优异的力学性能， 其在 150、200℃高温的抗拉强度、 屈服强度、 伸长率分别达到 156、122 MPa、18.5%和 130、103 MPa、19.5%。 对 Mg-4Al-4La0.25Sr 合金在 200℃、75MPa、100h 条件下进行蠕变实验发现最大蠕变量为 0.45%， 稳态蠕变速率为1.46× 10-9。 在 Mg-3.0Al 合金中复合添加 1.8 wt%Ce 和 0.3wt%Y后， 合金在 200℃表现出优异的力学性能， 抗拉强度和屈服强度分别提高了 72%和 67%， 达到 120、103MPa。 这是由于晶界处大量的高熔点 Mg11Ce3 稳定相、 细小的晶粒及 Y 的固溶强化的复合作用。上述合金的力学性能、抗蠕变性能及对应的 强化相如表 2 所示。





2 压铸稀土镁合金的发展趋势

目前，随着应用领域不断拓宽及对镁合金综合性能要求的不断提高，尤其是汽车及航天航空行业的高速发展对材料强度、 耐热等性能提出了更高的要求。 我国拥有丰富的稀土资源，因此，开发出适应我国基本国情的高强耐热稀土压铸镁合金，全部或部分替代铁、铜、铝合金及塑料元件，满足工业轻量化的发展趋势具有重要的意义。 未来我国高强耐热压铸稀土镁合金材料的发展应主要集中在以下几个方面：



（1） 多元稀土合金化压铸镁合金的研究开发。相比添加一种稀土元素，加入多种稀土元素时，由于元素间的相互影响，可显著提高合金的力学性能和耐热性能。 因此，多元稀土合金化压铸镁合金的研究应进一步加强，尤其是轻重稀土元素的多元合金化。

（2） 低成本高强耐热压铸镁合金的研究开发。工业应用除了性能之外，成本是关键。稀土元素价格昂贵，因此，在保证使用要求的前提下，加入低成本元素（如：碱土金属与Ⅳ、Ⅴ族元素）替代部分稀土元素，成为必然的选择。 目前，我国在这方面的研究还有待进一步深入。

（3） 优异铸造性能的压铸稀土镁合金材料研究。 目前，镁合金的研究主要集中在重力铸造上，对压铸稀土镁合金的组织及性能研究还较少。稀土加入镁合金中一般会降低合金的流动性，因此，在开发新型低成本高强耐热压铸稀土镁合金时， 要考虑合金材料的铸造性能，研究压铸稀土镁合金流动性随成分的变化规律，开发出铸造性能优异的低成本压铸稀土镁合金材料。