變形鎂合金材料的研究與進(jìn)展

變形鎂合金材料的研究與進(jìn)展

金屬鎂及其材料是設(shè)計(jì)中使用最廣泛的材料。在元素周期表中,鎂的原子序數(shù)為12,屬ⅡA族堿土金屬。純鎂的密度為1.736×103kg/m3,普通鎂合金的密度為(1.3～1.9)×103kg/m3,最輕的鎂合金(Mg-Li合金)的密度僅為0.95×103kg/m3,可漂浮于水上。常規(guī)鎂合金比鋁合金輕30%～50%,比鋼鐵輕70%以上,應(yīng)用在工程中可大大減輕結(jié)構(gòu)件質(zhì)量。同時(shí),鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度,尺寸穩(wěn)定性高,阻尼減震性能好,機(jī)械加工方便,尤其易于回收利用,具有環(huán)保特性。圖1對(duì)比了幾種典型金屬結(jié)構(gòu)材料與非金屬材料的比強(qiáng)度和比剛度?？梢婃V合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能,特別適用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件。鎂的這些優(yōu)點(diǎn)使其被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料”,并將成為21世紀(jì)重要的商用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。1變形鎂合金材料的開發(fā)鎂可以應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛(如圖2所示),但目前其主要的應(yīng)用方式是作為鋁合金的添加劑,因此鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用還具有很大的發(fā)展?jié)摿?。以前鎂合金的應(yīng)用遠(yuǎn)不及其它金屬材料那樣被重視,正如著名材料專家Cahn所指出的,“在材料領(lǐng)域中還沒有任何材料象鎂那樣存在潛力與現(xiàn)實(shí)如此大的顛倒”。目前,世界發(fā)達(dá)國(guó)家已著手鎂合金材料的大力開發(fā)與研究,鎂及鎂合金被應(yīng)用在航天航空、國(guó)防軍工、交通運(yùn)輸、電子器件殼體、體育器材和辦公用品等領(lǐng)域,加速開發(fā)鎂的應(yīng)用已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。根據(jù)加工方式的不同,鎂合金材料主要分為鑄造鎂合金與變形鎂合金兩大類。前者主要通過鑄造獲得鎂合金產(chǎn)品。傳統(tǒng)的鑄造工藝比較成熟,近年來,鑄造領(lǐng)域中一些新的生產(chǎn)工藝和技術(shù),如壓力鑄造(Diecasting)技術(shù),半固態(tài)成型(Semi-solidforming)技術(shù)以及ThixomoldingTM專利技術(shù),都被用來開發(fā)新型鎂合金材料,并取得了很大的進(jìn)展。與這些工藝生產(chǎn)的鑄態(tài)材料相比,變形鎂合金材料更具發(fā)展前途與潛力,通過變形可以生產(chǎn)尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產(chǎn)品,并且可以通過材料組織的控制和熱處理工藝的應(yīng)用,獲得比鑄造鎂合金材料更高的強(qiáng)度,更好的延展性,更多樣化的力學(xué)性能,從而滿足更多結(jié)構(gòu)件的需要。因此,研究與開發(fā)新型變形鎂合金,開發(fā)變形鎂合金生產(chǎn)新工藝,生產(chǎn)高質(zhì)量的變形鎂合金產(chǎn)品,是國(guó)際鎂協(xié)會(huì)(InternationalMagnesiumAssociation—IMA)在2000年提出的發(fā)展鎂合金材料的最重要、最具挑戰(zhàn)性且最長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)和計(jì)劃。圖3對(duì)比了變形鎂合金與普通鑄造、壓鑄鎂合金的典型力學(xué)性能?？梢娮冃捂V合金具有更大的優(yōu)勢(shì)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視變形鎂合金的研究與開發(fā),變形鎂合金材料已開始向系列化發(fā)展,產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。其中美國(guó)的變形鎂合金材料體系較為完備,合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Li、Mg-Th等,可以加工成板、棒、型材和鍛件,并且開發(fā)出了快速凝固高性能變形鎂合金、非晶態(tài)鎂合金及鎂基復(fù)合材料等。美國(guó)與世界上最大的鎂生產(chǎn)企業(yè)——挪威NovskHydro公司簽定了長(zhǎng)期合作關(guān)系,以保證在21世紀(jì)前期鎂原料和鎂產(chǎn)品的充足穩(wěn)定的供應(yīng)。日本在1999年由教育部、科技部、體育部和文化部共同組織實(shí)施了“PlatformScienceandTechnologyforAdvancedMagnesiumAlloy”計(jì)劃,著重研究鎂的新合金、新工藝,開發(fā)超高強(qiáng)變形鎂合金材料和可冷壓加工的鎂合金板材。英國(guó)開發(fā)出Mg-Al-B擠壓鎂合金用于Magnox核反應(yīng)堆燃料罐。以色列最近也研制出用在航天飛行器上、兼具優(yōu)良力學(xué)性能和耐蝕性能的變形鎂合金。我國(guó)變形鎂合金材料的研制與開發(fā)仍處于起步階段,缺少高性能鎂合金板、棒和型材,國(guó)防軍工、航天航空用高性能鎂合金材料仍依靠進(jìn)口,民用產(chǎn)品尚未進(jìn)行大力開發(fā),因此,研究和開發(fā)性能優(yōu)良、規(guī)格多樣的變形鎂合金材料顯得十分重要。2鎂合金晶面結(jié)構(gòu)的影響純鎂的基本性質(zhì)見表1。純鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方(HCP)(如圖4所示),a=0.3209nm,c=0.5211nm,c/a=1.6236,與理論值1.633十分接近。由于晶體發(fā)生塑性變形時(shí)滑移面總是原子排列的最密面,而滑移方向總是原子排列的最密方向,因此多晶密排六方結(jié)構(gòu)的鎂,其塑性變形在低于498K時(shí)僅限于基面{0001}?11ˉ20?{0001}?112ˉ0?滑移及錐面{10ˉ12}?10ˉ11?{101ˉ2}?101ˉ1?孿生。與其它常用金屬相比,如鋁(FCC結(jié)構(gòu))、鐵(BCC結(jié)構(gòu))、銅(FCC結(jié)構(gòu)),鎂的滑移系少是造成其塑性變形能力差的主要原因。在較高溫度下,由于晶體中{10ˉ11}?11ˉ20?{101ˉ1}?112ˉ0?滑移可以出現(xiàn),從而使鎂在高溫下的塑性增加。此外,由于密排六方晶體各晶面原子密排程度常隨軸比(c/a)值變化而改變,因此在鎂中加入鋰(Li)、銦(In)和銀(Ag)等元素可以使軸比降低,如鎂中加入8%Li(摩爾分?jǐn)?shù)),軸比下降到1.618,從而激活棱柱滑移系{10ˉ10}?11ˉ20?{101ˉ0}?112ˉ0?,使鎂合金在較低溫度下也具有較好的延展性。值得注意的是晶粒細(xì)化改善鎂合金屈服強(qiáng)度與延展性的巨大作用與潛力。晶粒細(xì)化是改善多晶鎂變形結(jié)構(gòu)特征、提高鎂合金性能的重要途徑之一。根據(jù)Hall-Petch公式:σ=σ0+Kd1/2(1)式中σ為多晶體屈服強(qiáng)度,σ0為單晶體強(qiáng)度,K為常數(shù),d為晶粒尺寸。比較鎂與鋁在式(1)作用下的規(guī)律(如圖5所示),可見晶粒細(xì)化對(duì)鎂力學(xué)性能的提高,其潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金。在鋁合金中,晶粒細(xì)化已成為其生產(chǎn)中不可缺少的重要技術(shù)措施,但該技術(shù)在鎂合金生產(chǎn)中卻未引起足夠的重視。晶粒細(xì)化到一定程度可以保證多晶鎂合金具備充分的延性轉(zhuǎn)變能力。純鎂的晶粒尺寸細(xì)化到8μm以下時(shí),其脆塑性轉(zhuǎn)變溫度可降至室溫(如圖6所示),若采用適當(dāng)合金化及快速凝固工藝將晶粒細(xì)化到1μm時(shí),甚至在室溫下鎂合金亦具有超塑性,其延伸率超過可達(dá)1000%。因此通過鎂合金晶粒細(xì)化,可以調(diào)整材料的組織和性能,獲得變形性能優(yōu)良的材料。3變形鎂合金材料的生產(chǎn)盡管鎂的結(jié)構(gòu)特征使鎂合金變形材料的制備具有很大的困難,但變形鎂合金優(yōu)異的性能以及在不同領(lǐng)域的特殊用途使其成為鎂合金材料研究與開發(fā)領(lǐng)域中不可缺少的一個(gè)重要組成部分,并具有先進(jìn)性與挑戰(zhàn)性。根據(jù)IMA提出的鎂工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略圖(如圖7所示),與目前較成熟的生產(chǎn)技術(shù)(如常規(guī)合金的傳統(tǒng)鑄造工藝)以及一些正在發(fā)展的技術(shù)(如提高鎂合金抗蠕變性能技術(shù)、先進(jìn)的薄壁鑄造技術(shù)和觸變鑄造技術(shù))相比,鎂合金的擠壓與軋制等塑性變形技術(shù)更具挑戰(zhàn)性。變形鎂合金材料的生產(chǎn)主要通過擠壓、軋制和鍛造等工藝手段實(shí)現(xiàn),由于鎂在加工過程中對(duì)設(shè)備能力、生產(chǎn)條件的要求基本與變形鋁合金相同,因此變形鎂合金的生產(chǎn)完全可以采用變形鋁合金的壓力加工設(shè)備。變形鎂合金產(chǎn)品生產(chǎn)中值得注意的兩個(gè)問題是:1)變形時(shí)鎂的彈性模量擇優(yōu)取向不敏感,因此在不同變形方向上(如軋制板材的平行軋向與垂直軋向),彈性模量的變化不明顯;2)變形鎂合金壓縮屈服強(qiáng)度低于其拉伸屈服強(qiáng)度,σc∶σt≈0.5～0.7,因此在涉及到如彎曲等不均勻塑性變形時(shí)需特別注意。3.1mg-al變形合金典型變形鎂合金產(chǎn)品的成分和力學(xué)性能等基本特性見表2。在變形鎂合金中,常用的合金系是Mg-Al系與Mg-Zn-Zr系。Mg-Al系變形合金一般屬于中等強(qiáng)度、塑性較高的變形材料,鋁在鎂中的含量為0～8%,典型合金為AZ31、AZ61和AZ80合金,由于Mg-Al合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕綜合性能,而且價(jià)格較低,因此是最常用的合金系。Mg-Zn-Zr系合金一般屬于高強(qiáng)度材料,其變形能力不如Mg-Al系合金,一般采用擠壓工藝生產(chǎn),典型合金為ZK60合金。3.2mg-li拉伸性能超輕變形Mg-Li系合金的研究和開發(fā)具有特殊意義。在鎂中加入元素鋰(Li),可使鎂的性質(zhì)發(fā)生特殊的改變。首先,進(jìn)一步降低了鎂合金的密度,Mg-Li合金是迄今為止最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。日本成功制備出密度小于水的Mg-Li合金,能應(yīng)用在航天航空器上;其次,鋰的加入大大提高了鎂合金的塑性,Mg-7.9%Li共晶合金具有極優(yōu)的變形性能和超塑性。圖8所示為Mg-Li合金典型拉伸性能。表2中的LA141合金(Mg-14%Li-1%Al)就是以β體心立方結(jié)構(gòu)為基體,密度1.35g/cm3,其塑性變形能力強(qiáng),已應(yīng)用于航空領(lǐng)域中。3.3變形鎂合金材料通過“快速凝固+粉末冶金”工藝制備變形鎂合金可以使鎂合金的性能得到很大程度的改善和提高?？焖倌坦に囬_發(fā)和商業(yè)鎂合金生產(chǎn)分為兩個(gè)發(fā)展階段:1)第1階段1950～1960年,由DowChemicalCo.采用氣體霧化法和旋轉(zhuǎn)冷卻盤法進(jìn)行的研究開發(fā)工作;2)第2階段1984年至今,由AlliedSignal公司開發(fā)的平面流法(PFC)生產(chǎn)的快速凝固合金材料。目前,美、日等國(guó)開始重視這方面的工作。快速凝固工藝可以制備出性能非常優(yōu)良的變形鎂合金。AlliedSignal公司通過平面流法、以實(shí)驗(yàn)室及試生產(chǎn)規(guī)模制備了RSMg-Al-Zn基EA55RS變形鎂合金型材,其代表性能為:擠壓制品拉伸屈服強(qiáng)度343MPa,壓縮屈服強(qiáng)度384MPa,極限抗拉強(qiáng)度423MPa,伸長(zhǎng)率13%,腐蝕速率大約0.25mm/a。其性能絕對(duì)值和相對(duì)值均高于許多先進(jìn)的輕質(zhì)變形合金材料(見圖9)。與常規(guī)工業(yè)鎂合金及現(xiàn)有鋁合金相比,快速凝固鎂合金材料具有以下特點(diǎn):1)室溫比極限抗拉強(qiáng)度超過常規(guī)鑄造工藝(I/M)鎂合金及最強(qiáng)鋁合金的40%～60%;2)壓縮強(qiáng)度/拉伸強(qiáng)度的比值(σc/σt)由0.7增加到1.1以上,改變了普通變形鎂合金σc<σt的特性;3)擠壓態(tài)制品的伸長(zhǎng)率為5%～15%,形變熱處理后可達(dá)22%,相應(yīng)強(qiáng)度值仍高于I/M鎂合金;4)快速凝固鎂合金的大氣腐蝕行為與新型高純常規(guī)鎂合金AZ91E和WE43以及鋁合金2024-T6相當(dāng),比其它鎂合金腐蝕速率小將近2個(gè)數(shù)量級(jí);5)與其它輕合金相比,快速凝固鎂合金在373K以上的溫度具有優(yōu)良的塑性變形行為和超塑性,且由于明顯的晶粒細(xì)化效果,使其疲勞抗力為I/M鎂合金的兩倍;6)快速凝固鎂合金與SiC等增強(qiáng)相的相容性已得到證實(shí),因此快速凝固鎂合金是復(fù)合材料的優(yōu)秀載體。目前,快速凝固鎂合金正準(zhǔn)備在民用及軍用飛機(jī)和汽車上使用,以促進(jìn)變形鎂合金產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用,但其研究和開發(fā)僅處于起步階段,大量基礎(chǔ)性研究工作仍需要展開。4鎂合金的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)金屬純鎂很少直接作為結(jié)構(gòu)材料使用,必須通過添加合金元素,并進(jìn)行顯微組織和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),引入固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化或彌散強(qiáng)化等機(jī)制,使鎂合金的力學(xué)性能得到改善與提高,從而使鎂合金可以按需要應(yīng)用在不同領(lǐng)域。因此,明確鎂合金的合金化原理,對(duì)了解各種合金元素在鎂基體中的作用,指導(dǎo)新合金的設(shè)計(jì)十分重要。4.1對(duì)鎂基合金的固溶度的預(yù)測(cè)一種金屬材料基體在一定條件下能溶解多少溶質(zhì)元素,對(duì)該材料的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。在鎂合金中,加入的合金元素原子大多以置換固溶體形式存在。根據(jù)Hume-Rothery固溶度準(zhǔn)則,當(dāng)溶劑原子與溶質(zhì)原子的半徑差超過15%時(shí),原子尺寸因素將不利于形成固溶體,固溶度將很小。金屬鎂的原子半徑為0.1602nm,因此有如圖10中虛線以內(nèi)的26種元素可以滿足該準(zhǔn)則,與鎂形成固溶體。當(dāng)采用快速凝固技術(shù)時(shí),原子間的半徑差可增大到30%,可以大大豐富鎂合金的合金系。在考慮Hume-Rothery準(zhǔn)則的同時(shí),還要考慮化學(xué)親和力因素(兩種元素電負(fù)性差值大小標(biāo)志化學(xué)親和力的強(qiáng)弱),電負(fù)性差值>0.4的元素不易形成固溶體,即Darken-Gurry理論。根據(jù)該理論作橢圓圖(溶劑原子半徑r(1±7.5%)為橫軸,電負(fù)性XP±0.4為縱軸),可得到金屬溶質(zhì)在鎂中溶解度圖(如圖11所示)。對(duì)于鎂基合金,按照Darken-Gurry理論預(yù)測(cè),密排六方結(jié)構(gòu)的鎘與鎂生成連續(xù)固溶體,鋁、鋅和鋰等元素均在橢圓之內(nèi),而鐵、鎳、銅等非溶性元素則在橢圓之外。實(shí)際上,Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Li等都是主要的合金系,可見,理論預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度很好,置信度高。應(yīng)用Darken-Gurry橢圓分析鎂中合金元素固溶度時(shí),值得注意的是稀土元素。根據(jù)稀土元素與鎂的原子半徑差及電負(fù)性值(見表3),稀土元素若作為鎂基固溶體中的溶質(zhì)元素,恰好落在Darken-Gurry橢圓的周邊上,因此,對(duì)其固溶度的評(píng)價(jià)需十分謹(jǐn)慎。大部分稀土元素在鎂中固溶度很小,但如鈧、釔和釹等在鎂基體中具有較大的極限固溶度。4.2其他合金元素材料的宏觀性能與其顯微組織緊密相關(guān),因此根據(jù)合金化原理,可以針對(duì)需要,采用細(xì)化晶粒、添加微合金化元素、控制變形程度和熱處理工藝等手段達(dá)到調(diào)整鎂合金組織、提高和改善合金性能的目的。同時(shí)可以借鑒合金化原理在其它合金設(shè)計(jì)中已取得的成功經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)鎂合金的合金設(shè)計(jì)。根據(jù)鎂基二元相圖,Sn、Sb、Bi和Pb等元素在鎂中有較大的極限固溶度,而且隨溫度的下降,固溶度減小并生成彌散沉淀相。根據(jù)沉淀強(qiáng)化原理,這些元素?zé)o疑可提高鎂合金的強(qiáng)度。文獻(xiàn)也證實(shí)了這一預(yù)測(cè)。在Al-Si合金中,微量的Sr、Sb和Ca等元素有明顯的變質(zhì)作用,這是因?yàn)檫@些元素屬于表面活性元素,可以減小粗大相的形成,細(xì)化晶粒,甚至可以生成彌散相阻礙晶界的滑移。那么,可以預(yù)測(cè)在Al-Si合金中具有上述特點(diǎn)的元素同樣可以在鎂合金中發(fā)揮同樣的作用,一些最新的研究工作恰恰證實(shí)了Ca對(duì)Mg-Si合金存在變質(zhì)作用和提高抗蠕變、高溫性能的作用。所以,明確各種元素在鎂中產(chǎn)生的作用,對(duì)開發(fā)與設(shè)計(jì)新合金、提高鎂合金性能非常重要。對(duì)比各種合金元素在鎂中的存在形式,考慮二元鎂合金的力學(xué)性能,鎂中合金元素可以劃分為以下3類。第1類是同時(shí)提高鎂合金的強(qiáng)度與塑性的元素,按強(qiáng)度遞增順序?yàn)?Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th;按塑性遞增順序?yàn)?Tb、Ga、Zn、Ag、Ce、Ca、Al、Ni、Cu;第2類合金元素是只提高鎂的塑性,而對(duì)強(qiáng)度影響很小,有Cd、Tl和Li;第3類是犧牲塑性,而提高鎂強(qiáng)度的元素,有Sn、Pb、Bi和Sb。各種合金元素在鎂中的作用總結(jié)如下。銀:在與稀土一起加入時(shí)可改善合金的高溫抗拉和蠕變性能,但對(duì)合金抗腐蝕性能不利;鋁:改善合金鑄造性能,但有形成顯微縮松的傾向,是固溶強(qiáng)化元素,在低溫下(<393K)會(huì)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化,對(duì)抗腐蝕性能影響較小;鈹:在很低濃度(<30×10-6)時(shí)能明顯降低熔體表面氧化程度,但含量過高會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大;鈣:有明顯細(xì)化晶粒作用,可稍微抑制熔體金屬的氧化,可改善抗蠕變性能,但對(duì)抗腐蝕性能不利;鐵:鎂與低碳鋼坩堝幾乎不反應(yīng),但鎂合金中含有鐵時(shí),對(duì)抗腐蝕性能極不利,必須嚴(yán)格限制;鋰:增大蒸發(fā)及燃燒的危險(xiǎn),只能在保護(hù)密封條件下熔煉,室溫下可起固溶強(qiáng)化作用,降低密度,提高延展性,強(qiáng)烈地降低耐蝕性;錳:以沉淀Fe-Mn化合物形式控制鐵含量,細(xì)化沉淀產(chǎn)物,增大蠕變抗力,改善耐蝕性能;稀土:改善鑄造性能,在室溫和高溫下有固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用,改善高溫抗拉和蠕變性能,改善耐蝕性能;硅:降低鑄造性能,與Al、Zn和Ag等元素形成穩(wěn)定的硅化物,是弱的晶粒細(xì)化劑,可改善蠕變性能,對(duì)腐蝕性能有害;釷:是抑制顯微縮松、改善高溫抗拉及蠕變性能、提高延展性的最有效的合金元素,但有放射性;釔:有細(xì)化晶粒作用,改善高溫抗拉及蠕變性能,改善腐蝕行為;鋅:增加熔體流動(dòng)性,是弱晶粒細(xì)化劑,有形成顯微縮松傾向,有沉淀硬化作用,對(duì)腐蝕性能影響較小;鋯:最有效的晶粒細(xì)化劑,但與Si、Al和Mn等不相容,可從熔體中清除Fe、Al和Si等雜質(zhì),稍微改善室溫抗拉性能。5mg-re相圖及微量元素的定義稀土元素由于具有獨(dú)特的核外電子排布,表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。在冶金過程中它可以凈化合金溶體、改善合金組織、提高合金室溫及高溫力學(xué)性能,增強(qiáng)合金耐腐蝕性能等。因此,稀土作為主合金元素或微合金化元素,被廣泛應(yīng)用在鋼鐵及有色金屬合金(銅、鋁和鋅等合金)中。在鎂合金領(lǐng)域,稀土優(yōu)異的凈化、強(qiáng)化作用不斷被人們認(rèn)識(shí)和掌握,并開發(fā)出一系列含稀土的鎂合金,它們具有高強(qiáng)、耐熱、耐蝕等性能,這大大拓展了鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。在二元Mg-RE相圖中,富鎂角大多是簡(jiǎn)單的共晶反應(yīng)。一些稀土元素可在鎂中形成固溶體,對(duì)于富Ce或富Nd混合稀土亦是如此。因此該類合金具有良好的鑄造性能,并且由于晶間熱穩(wěn)定性高的化合物的存在,使Mg-RE合金具有良好的蠕變性能。超過473K溫度應(yīng)用的鎂合金主要是Mg-RE基合金。5.1mg-re及ze33Cahn和Ferro等最早報(bào)道了提高高溫抗拉強(qiáng)度的Mg-Ce合金。隨后,Leontis的工作證明Mg-RE合金的高溫性能按La、Ce、MM(富Ce混合稀土)、Nd的序列提高。Sauerward發(fā)現(xiàn)Mg-RE合金中鋯(Zr)的晶粒細(xì)化作用,鋯可在不含Al和Mn的Mg-RE合金中與Zn、Ag、RE和Th等合金元素一同加入,這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了EK型(Mg-RE-Zr)鎂合金的開發(fā)成功。在Mg-Zn合金系中,由于稀土的加入改善了合金的鑄造性能和蠕變抗力,因此開發(fā)出ZE型ZE41(Mg-1.75RE-4.5Zn-1.0Zr)和ZE33(Mg-3.5RE-3.0Zn-1.0Zr)鎂合金,該合金具備較好的室溫和高溫綜合性能。Payne等發(fā)現(xiàn)銀的加入可以明顯改善Mg-RE合金的時(shí)效硬化效應(yīng),據(jù)此開發(fā)出了QE22、QE21及EQ20等合金。在室溫至473K溫度區(qū)間內(nèi),Mg-RE-Ag合金具有高的強(qiáng)度及疲勞抗力,接近含釷鎂合金的高溫抗拉強(qiáng)度和蠕變抗力(釷是提高鎂合金高溫性能最有效的合金元素,但釷的放射性限制了Mg-Th合金的應(yīng)用)。添加鈧、釔對(duì)鎂合金的有益影響是又一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)。Drits等開發(fā)了一系列耐熱高強(qiáng)WE型鎂合金。釔可以以含釔混合稀土的形式加入(其中含75%釔,其余為重稀土),該類合金良好的力學(xué)性能使其廣泛應(yīng)用于賽車及飛行器變速箱殼體上。最近研究的含釤(Sm)、釓(Gd)及重稀土金屬的實(shí)驗(yàn)鎂合金也獲得卓越的力學(xué)性能,但需要10%以上的稀土元素,使合金價(jià)格較昂貴。鑄造稀土鎂合金需注意鋁的不利影響。因?yàn)橄⊥两饘倥c鋁會(huì)生成非常穩(wěn)定的稀土鋁化物,奪取鎂固溶體中的稀土。因此在砂模鑄造時(shí)不能使用稀土和鋁的合金元素組合,但利用鑄造時(shí)較快的冷卻速度可抑制生成鋁化物,也開發(fā)出在473K具有良好蠕變性能的AE型合金。許多稀土元素在Mg-RE合金中的沉淀行為還不完全清楚。根據(jù)對(duì)Mg-1.3Nd和Mg-1.3Ce兩種合金的研究表明,在較低溫度下,有共格GP區(qū)出現(xiàn),例如Mg-Nd系GP區(qū)的形貌為片狀;在較高溫度下,大多數(shù)Mg-RE合金析出半共格的β′沉淀相,如Mg3Nd;過時(shí)效則產(chǎn)生富鎂的非共格脫溶產(chǎn)物。Mg-RE合金時(shí)效行為和組織變化的研究尚需開展大量工作。幾種常見Mg-RE合金典型力學(xué)性能見圖12。5.2擠壓材和大沒有試件發(fā)展變形鎂合金制品可使鎂合金更大量地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件上,如軋制的薄板或厚板、擠壓材和鍛件。典型含稀土的變形鎂合金有ZE10A(Mg-1.5Zn-0.2RE)。但由于變形鎂合金的開發(fā)與研究不夠充分,有關(guān)稀土對(duì)其組織和性能影響的研究遠(yuǎn)不如稀土在鑄造鎂合金中的研究那么深入和充分,相關(guān)的研究報(bào)道也較少。5.3u2004鎂合金的力學(xué)性能快速凝