高性能稀土镁合金研究与应用

文/ 张文毓

稀土作为主合金元素或微合金化元素，被广泛应用于钢铁及有色金属中。在镁合金中，稀土优异的净化、强化和耐腐蚀性能不断被人们认识和掌握，从而开发出一系列的高强、耐热和耐腐蚀的镁合金，大大拓展了镁合金的应用领域。镁合金具有重量轻、比强度高、比刚度高、抗震动、低噪音、良好的阻尼性能和优异的铸造性能等优点，被誉为“21世纪的绿色金属结构材料”和最被看好的铝合金替代品，因此被广泛应用在交通、制造、3C电子和航空航天等领域。以汽车材料为例，国际上已把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。欧洲单车镁合金用量已达9～20公斤，正在使用和研发的镁合金汽车零部件已超过60多种，北美正在使用和研发的镁合金汽车零部件多达100多种。

镁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的前期开发工作意义重大。

概述

1.高性能稀土镁合金的特点

稀土元素由于具有独特的核外电子排布，在冶金、材料领域中有独特的作用，具有净化合金溶液、改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能，增强合金耐蚀性能等功能。稀土镁合金具有镁合金的固有优点，同时又具有耐热强度高、蠕变性能优良的新特点。

在镁合金中添加适量的稀土金属以后，可以增加合金的流动性，降低微孔率，提高气密性，显著改善热裂和疏松现象，使合金在200℃～300℃高温下仍具有高的强度和抗蠕变性能。

镁合金在稀土溶液中可形成钝化膜，提高其耐蚀性能。稀土加入镁合金中，可细化合金组织，促进合金表面氧化膜由疏松变为致密，降低合金在液态和固态下的氧化倾向，从而提升传统镁合金强度、塑性、耐蚀性、耐磨性等性能。

2.稀土在镁合金中的作用

稀土金属化学活性特强，具有除氢、除氧、除硫、除氯、除铁、除夹杂物的作用，以及改善合金流动性和加工性能；稀土可将合金中呈溶质状态的铁、钴、镍、铜改变为镁-稀土-铁(铜)-铝(或锌、锰)金属间化合物的状态，抑制铁对合金的腐蚀作用。稀土元素多呈三价，可用以增强镁(二价)原子间的结合力，减少原子扩散速度；稀土元素在镁中有较大固溶度(Y为12.6%、Sc为24.9%)，可藉以实现固溶强化，沉淀强化；稀土与Mg，Al和其他合金元素(如Zn，Zr，Mn)形成高熔点、热稳定性好的金属间化合物实现弥散强化，从而提高耐热、抗高温蠕变等性能。

稀土镁合金的强化途径通常有以下几种, 即热处理强化(固溶强化、 沉淀析出强化)、 弥散强化、 细晶强化、形变强化(加工硬化、织构强化)以及复合强化等。此外,目前发现在稀土镁合金中存在一种新型的长周期(堆垛)有序结构(Long Period Stacking Ordered Structure,LPSO)强化, 这为镁合金系的强化提供了一条新的思路, 打开了新的想象空间, 引起了国内外学者们的广泛关注。

高性能稀土镁合金研究现状

1.高性能稀土镁合金国外研究现状

近年来, 镁合金的研究越来越引起人们的关注, 这主要是由于镁合金具有许多优良的性能。镁合金是最轻的工程结构材料, 具有密度小、比强度和刚度高、导热导电性能好、易于成形加工、废料容易回收等特点, 在汽车、电子、家电、通讯、仪表和航天航空等领域的应用日益增多。目前国外对稀土镁合金研究较多的是美国、欧洲、日本及俄罗斯。

稀土镁合金的研制可追溯到20世纪20年代，当时德国进行了Mg-MM(MM为混合稀土代号，下同)的开发工作，并在DMW-801D型飞机发动机上使用了Mg-6MM-11.7Mn合金锻件。与此同时，英国也进行了混合稀土的应用研究工作，于二次世界大战期间，在飞机叶片锻件中使用了Mg-3MM-0.5Mn-0.5Ca合金。但这种Mg-MM-Mn合金存在铸态组织晶粒粗化的缺陷，从而影响了其商业应用。

1937年，德国学者Sauerwald首次进行了锆有效细化Mg-Th-Zr合金晶粒的工作，对镁合金的研制作出了杰出贡献。Murphy和Payne(于1946年)的工作也发现MM和Zr可同时加入镁中，且Zr对镁仍具有细化晶粒的作用，从而解决了稀土镁合金的工艺问题，使其在商用领域得到了发展。

20世纪60年代初，美国在铸造镁合金中发展了EK、EZ、QE、ZE等系列产品，后来又发展了耐热高强WE型镁合金及EK、ZK、ZE系列的变形镁合金。美国科学家对镁合金这一工程材料投入大量的研究,在汽车工业、航空航天工业进行了广泛的新材料研制与推广应用工作。开发出AE 系列镁稀土压铸合金, 并将WE 系列合金大规模投入应用。在高强耐热稀土镁合金研究与应用方面, 美国始终处于领先位置。

欧洲的稀土镁合金研究最为活跃, 许多应用型稀土镁合金问世于欧洲。含银富钕稀土QE22A 合金长期以来广泛用于飞机、导弹的优质铸件, 如美洲虎攻击机的座舱盖骨架, 超黄蜂直升机的前起落架外筒和轮彀等。在Mg-Zn 合金研究中, 发现加入稀土元素改善Mg2Zn 合金的铸造性能和蠕变抗力, 但降低抗拉性能, 采取折中方案, 曾开发了ZE41 及EZ33 合金。ZE41 有较高强度,可以用到200℃, 而EZ33 合金有更高蠕变抗力, 用到250℃。WE 系列合金的强度性能超过其他稀土镁合金、高温强度甚至比高温铝合金RR350 的稳定性还好, 已经用于赛车及航空。欧洲的稀土镁合金基础研究及其在汽车、航空航天工业中的应用同美国一样处于世界领先位置, 当前欧洲正在进行Mg-Gd 合金、Mg-Tb 合金、Mg-Sc-Mn 等新型稀土镁合金研究。

考虑到成本因素，稀土镁合金中的稀土元素以混合稀土(富Nd、富Ce、富La、Y)形式加入。随着稀土镁合金应用要求的不断扩大，开发研制了越来越多的单一或混合重稀土镁合金。欧洲国家开发的Mg-20%Gd、Mg-20%Tb耐热镁合金，其抗拉强度在250℃为280～320 MPa，与WE系合金和铝合金相比又有了大幅度提高。Mg-10%Gd(或Dy)-3%Nd-Zr合金，由于高温强度好，具有比AZ91D合金更好的耐蚀性，已成为有希望应用于汽车发动机零件的新合金。目前，正在积极开发的还有Mg-Sc-Mn-Zr.和Mg-Sc-Mn-Gd(Tb)-Zr合金。

英国开发研制出一系列高温下具有高强度及高蠕变性能的含 Nd、Y 的 WE 型镁合金，最先研制出了WE54，WE43 合金，使用温度达到 250℃，具有较好的浇铸、沉淀析出强化效果和高温抗蠕变性能。WE 系合金在经过固溶及时效过程中，合金中依次析出：α固溶体→β″（D019）→β′（Mg12NdY,b.c.c）→β（Mg 14Nd2Y,f. c.c）相，这是合金具有优良的室温及高温性能的主要原因。目前 WE 系列合金是应用相对成熟、研究相对深入的商用镁合金，被广泛应用于航空航天领域中。

日本紧随欧美步伐，相继仿制出与欧美最新研究成果大致相同的MC8(EZ33A)、MC9(QE22A)、MClO(ZE41A)等稀士镁合金，同时积极研制汽车工业用稀土镁合金。1999年开发出超高强度的IM Mg—Y系变形镁合金材料，以及可以冷压加工的合金板材。2001年开发出晶粒尺寸为100～200 nm的高强镁合金Mg—2%Y—1%Zn(即Y和Zn的原子分数分别为2%和1%)，其强度为超级铝合金的3倍，并具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。

前苏联在稀土镁合金方面进行了许多理论与应用研究，一直处于领先地位。于20世纪70年代，在铸造镁合金中发展了MJl9、MJllo、MJlll、MJll5、MJll7、MJll9系列产品以及阻尼材料MUN(Mg-0.15Zn-5.5Zr-0.58c-0.04Y)，在变形镁合金中发展了MA8、MAll、MAl2、MAl5、MAl9、MA20以及导声材料MAl7超轻材料MAl8等。

俄罗斯主要沿袭前苏联的镁合金发展体系, 曾经研制出早期飞机舱盖用Mл7 以及大量应用于米格23 飞机的Mлl0 稀土镁合金等, 最近几年未见突破性研究报道。目前在俄罗斯的航空航天及军事工业已经广泛使用含钇的变形镁合金BMлl0 和含钇、钕的铸造镁合金BMлl4 。对比铝合金结构, 这些镁合金的应用可保证降低结构重量的25 %～50 %。

2.高性能稀土镁合金国内研究现状

我国的稀土镁合金也有了很大发展, 在铸造镁合金中开发了ZM2, ZM3, ZM4, ZM6 和ZM8 等系列产品, 在变形镁合金中开发了MB8 ,MB22 , MB25, 以及在MB25基础上用富Y 混合稀土代替高品位Y 的MB26 。东北轻合金加工厂研制开发成功的含Nd、含Gd代号为122和127 合金的2 种耐热高强稀土变形镁合金, 其室温强度比MA13和HM21要高得多, 且300℃下的高温强度与MA13 , HM21 相当, 已在国防军工上获得广泛应用。

目前, 上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心开发出阻燃效果和力学性能良好的轿车用阻燃镁合金。湖南大学、中南大学等采用快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤(ECAE)等方法使镁合金晶粒高度细化, 从而开发出具有高强度、高塑性甚至超塑性的高强、高韧镁合金如 Mg -(5～8)Al -(1～2)Zn -(0.5～2)M(M=Pr , Nd ,Ce ,Y) 。快速凝固镁合金因其微观组织结构的均匀化和弥散沉淀相的形成, 提高了合金的抗腐蚀能力,如快速凝固Mg-5A1-2Zn-2Y合金是已知镁合金中抗腐蚀性能最高的合金。同时高性能的含Sc 镁合金也正在积极开发之中。

高性能稀土镁合金有望的发展方向:

(1)进一步研究稀土元素对镁合金的强韧化、耐腐蚀和抗蠕变的作用机理。

(2)优化稀土镁合金系, 研究多元稀土对镁合金的协同作用, 促进合金由二元合金系向多元高性能合金系发展。

(3)与先进的合金制备工艺相结合。通过压铸、快速凝固、半固态技术和挤压铸造等手段, 进一步提高稀土镁合金性能。

(4)降低成本。大多数高强稀土镁合金中稀土的含量偏高, 由于稀土元素价格偏高, 所以开发低成本稀土镁合金也是当前研究的重点。

随着全球范围内的能源、资源紧缺以及各国对环境保护的日益重视，航空航天、信息产业和国防军工等国民经济支柱产业的快速发展，对高比强度、高比刚度等高性能结构材料的需求与日俱增，高性能轻量化镁合金必然会得到越来越广泛的关注、研究和使用。所以，我们需要整合高校、科研院所的基础优势与企业的产品研发优势， 以市场需求为牵引，尽快开发高效、实用、经济的镁合金加工新技术，占据国际镁资源技术一体化优势，推动我国镁产业的蓬勃发展。

高性能稀土镁合金应用进展

稀土镁合金的应用性能优势, 主要体现在耐高温和高强度方面, 通过加入稀土元素合金化, 能显著提高镁合金的强度和耐热温度。国外已将耐热稀土镁合金应用到飞机蒙皮、导弹舱体、卫星空间结构件、飞船框架、发动机引擎盖、发动机汽缸体和变速箱壳体等零部件上。随着社会经济发展, 在军工领域和民用领域均会有更大拓展。

高性能稀土镁合金以其优异的综合性能， 正被广泛应用于汽车工业、轨道交通、航空航天、武器装备、3C 产品和生物医用植入材料等领域。

1.高性能稀土镁合金在军工方面的应用

镁合金是减轻武器装备质量, 实现武器装备轻量化,提高武器装备各项性能的理想结构材料。武器装备的需要, 推动了高性能镁合金材料及应用技术开发的发展。在军工方面, 以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6 铸造镁合金已用于直升机减速机匣、歼击机翼肋及30 kW 发电机的转子引线压板等重要零件。随着冶炼和加工技术的进步、价格的降低、武器装备轻量化要求的日益提高,镁合金在武器装备上的应用需求越来越大。

在我国, 高性能的稀土镁合金以前主要应用于航空航天、导弹等军工领域, 近年来, 镁合金及镁基复合材料已逐步在武器和弹药上得到成功应用, 发展十分迅速。

国外镁合金在武器上应用的典型实例:

(1)美军正在研制的21 世纪士兵武器——理想的单兵综合作战系统, 计划用镁合金做壳体等构件, 使质量从 8 .17 kg 降到6.37 kg ;

(2)美军正在研制的先进水平水陆两栖突击车，采用镁合金做壳体, 并采用了先进的镁合金表面防护技术,经试验证明, 表面性能良好;

(3)国外已将镁合金用于次口径脱壳弹软壳, 穿甲弹弹托;

(4)法国MK50 式反坦克枪榴弹部分零件应用了镁合金材料, 其全弹质量仅为800 g ;

(5)美国制造的Racegan(强装药, 先进战斗用手枪)扳机等零件采用镁合金, 重量减轻45 %, 击发时间减少66 %。

高性能轻金属材料在航空航天和国防建设中占有十分重要的地位。航空航天器的轻量化带来的经济效益和性能改善十分显著。MD600N直升机的变速装置采用了稀土镁合金，降低了重量，极大提高了旋翼的升力。我国神舟6 号载人飞船使用稀土镁中间合金开发的MB26镁合金制作电器箱，实现减重13kg。航空航天和武器装备上使用的材料工况条件恶劣，经常需要在振动、沙尘、腐蚀、高温等苛刻环境下服役，这使得稀土镁合金如WE43、WE54 被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中， 如西科斯基公司的S-92 型直升机和贝尔BA-609 型倾斜旋翼飞机和欧洲的NH90 直升机。稀土镁合金被广泛用于制造飞机部件， 如发动机零部件、座椅、踏板、起落轮、飞机座舱顶棚框架、涡轮喷气发动机机罩以及各种无线电设备底座等。美国的B-36 战略轰炸机大量使用稀土镁合金， 共使用了5555kg 镁板、700 kg 镁合金锻造件及300 kg 镁合金铸造件。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星和飞船上均选用了稀土镁合金构件。

2.高性能稀土镁合金在民品上的应用

民品应用开发方面, 在交通工具上广泛使用镁合金一直是材料科学家们努力的方向。而稀土镁合金的应用使产品的开发范围大大拓宽。Drits 等开发的一系列耐热高强WE 型镁合金, 因具有良好的力学性能已广泛应用于赛车及航空飞行器的变速箱壳体。

汽车工业需要努力改善有效载荷和提高燃油效益,它的一些结构件都要求有较高的耐热性能, 可在汽车发动机箱体、变速箱壳、舵杆件、气缸盖、支撑柱等部件中得到使用。开发耐高温镁合金越来越受到人们的重视。在石油化工中, 由于镁对燃料、矿物油和碱等具有很高的化学稳定性, 故所开发的阻燃耐蚀稀土镁合金可用来制造、贮存和运送这类液体的导管、箱体和贮罐。

稀 土 镁 合 金Mg-Be-RE(含Be0.1%～0.8%,RE4%～1.5 %), 其着火点可提高250℃, 且力学性能与AZ91D 相当, 是一种很实用的阻燃镁合金, 在煤炭矿井、天然气及容易燃烧物质接触的部件中可获得广泛应用。

由于稀土镁合金具有较好的生物相容性和无毒性，故有望用作为人工骨接材料、心血管支架材料，代替现有金属植入材料，从而减少病人第二次取出的手术，这又将开辟一个新的应用天地。

3.稀土镁合金在汽车工业中的应用

镁合金的应用领域十分广泛，但以前镁合金的应用远不及其他金属材料那样受到重视。然而目前各国都已制订了镁的开发计划，如镁已是美国汽车研究委员会(USCAR)汽车材料组关注的重点，德国展开了代号为MADICA的联合攻关项目，日本实施了“Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloy”计划。我国的“十五”计划已将镁列为新材料重点开发项目，并已取得一定的成果，如重庆镁业和山西镁产业基地已初具规模，长安(汽车)公司已实现单车使用镁合金8.5kg，装车5万辆。东风科技制动系统公司和力劲集团已分别建成年产630吨和3000吨的镁合金压铸生产线。镁合金产业在我国已处于飞速发展阶段。

从20世纪90年代开始，镁合金广泛应用于汽车工业。高性能稀土镁合金主要用于汽车发动机壳体、变速箱壳体、发动机气缸盖等零部件中。福特、通用、戴姆勒—克莱斯勒、奔驰、大众、丰田、菲亚特—阿尔法等汽车公司纷纷采用稀土压铸镁合金。丰田汽车的方向盘加装安全气囊后质量增加，采用AM60B 压铸镁合金后，与钢制品、铝制品相比，质量减少了45%和15%， 并减少了转向系统的震动。中国奇瑞汽车已100%采用镁合金方向盘，并力争实现单车镁合金达到30kg。中国一汽和中国科学院长春应用化学研究所（下称“长春应化所”）合作开发高性能稀土镁合金，已经形成年产1500 吨镁合金压铸件(包括轮毂、发动机壳体、变速箱壳体等)的批量生产能力，建成了我国最大的高性能稀土镁合金产业化示范基地，批量生产耐热、抗蠕变的稀土镁合金汽车发动机缸盖。

长安汽车通过持续实施稀土镁合金项目， 掌握了镁合金材料替代后的整车和零部件结构再设计的关键技术，实现了动力总成、座椅骨架、转向盘骨架、轮毂、备胎架等稀土镁合金汽车零部件的产业化开发与应用。国内汽车零部件上已开发应用的耐热、抗蠕变的稀土镁合金有新型稀土压铸镁合金(AZ91X)、稀土高温高强镁合金(Mg-Gd-Y 系列)、稀土高强高韧镁合金(MB26)等。国外已开发出AE、WE、QE 等系列含稀土的镁合金。目前，汽车工业中稀土镁合金用量较多的国家和地区是北美、欧洲、日本和韩国，镁合金在汽车上的应用主要取代铸铁、铝合金、塑料和钢制冲压焊接件，以压铸件为主，北美汽车压铸镁合金用量正以每年15%的速度递增。目前，压铸镁合金汽车零部件至少已超过60 种，如：汽车仪表板、座椅骨架、转向盘和转向柱、发动机气缸盖、变速箱壳体、离合器壳体、进气歧管、轮毂、门框等。汽车轻量化是节能减排的重要手段，同时，由于对汽车安全性和舒适性要求的不断提高，需要增加安全装置，如ABS、安全气囊，内饰也更高级，这也要靠汽车轻量化来补偿。奔驰采用AM20 和AM50 压铸镁合金座椅骨架，质量较冲压焊接钢结构件减少，并减少了震动，增加了舒适性。目前，国外单辆汽车镁合金用量达到40 kg。随稀土镁合金技术的进步和制造成本的降低， 镁合金在汽车上的应用将会达到100～150 kg，由此造成的汽车减重可达10%～15%， 油耗可减少6%～10%，CO2排放量减少约5g/km。

长春应化所承担“高性能稀土镁合金及其在汽车上的应用”项目，利用应化所的稀土镁中间合金,开发有自主知识产权的高强、耐热、抗蠕变稀土镁应用合金;充分利用我国丰富的镁和稀土资源,完成高性能、廉价、成分均匀的系列稀土镁合金的规模化生产,形成生产系列稀土镁合金的成熟技术;掌握高性能稀土镁合金的熔炼技术,为汽车用镁合金压铸产品提供高品质的系列镁合金铸锭, 其性能达到或超过目前国外同类合金的水平,其合金成本增加控制在 AZ91 合金价格的30%以内;推动耐热、抗蠕变稀土镁合金在一汽集团汽车上的应用,将新型稀土镁合金推广到长春客车集团公司、航空航天等部门应用。

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心和东风汽车公司共同承担了国家“九五”科技攻关项目“轿车铝、镁合金新材料及铸造生产技术的应用研究”专题子项“镁合金材料在轿车上的应用研究”，采用朝阳鑫镁有限公司生产的AZ91D合金锭，在2500 kN冷室压铸机上进行了AZ91D镁合金的压铸工艺研究，压铸态合金的抗拉强度达240 MPa，达到ASTM标准，经T6处理(410℃固溶9 h，205 ℃时效8 h)后，抗拉强度进一步提高到280 MPa。

4.稀土镁合金在轨道交通中的应用

近年来，轨道交通获得长足发展，通过机车的轻量化以实现机车的高速、重载、降耗成为轨道交通研发的热点问题之一。稀土镁合金材料在机车的轻量化方面正发挥着越来越重要的作用。现阶段还不能用镁合金来制造机车的重要承载构件， 只能用镁合金制造非承载构件和车辆内部承载要求不高的零部件。德国西门子公司的ICE 高速列车和法国TGV高速列车已经开始开发应用稀土镁合金零部件，如座椅、框架等。日本新干线N700 系列高速列车座椅骨架已经采用稀土镁合金，包括座椅扶手、底座、背靠等，实现了整车减重，提升了动车组的动力性能，减少了能耗。我国也在大力推进稀土镁合金在轨道交通中的应用。目前，稀土镁合金主要用于空调通风口格栅、车窗防护栏杆、座椅安装型材和地板布安装型材、卧铺框架、行李架边框、内部仪表盘框架等零部件。机车车辆上常用的镁合金有：AZ31B、AZ61A、AZ91D、ZK60、AM60B 等。从非承载或者承载要求不高的零部件逐渐发展到承载零部件， 开发高强高韧、耐疲劳和减震铁道车辆零部件，这将是未来稀土镁合金材料在轨道交通中应用的发展趋势。

5.稀土镁合金在3C 产品中的应用

计算机(Computer)、通信(Communication)和消费类电子产品(Consumer electronics)简称3C 产品。3C 产品的轻、薄、短、小化趋势，使得稀土镁合金的应用得到推崇。传统的3C 产品外壳大都采用塑料材料(如PC、ABS、PC／ABS 等)，质量虽轻但防电磁波干扰能力不如金属材质，需做后处理，镁合金所独具的轻巧、美观、电磁屏蔽性能、良好的散热性、良好的耐腐蚀性、优异的比强度和比刚度、良好的手感等优良特性使其在3C产品领域的应用快速崛起。目前，IBM、戴尔、苹果、东芝、松下和索尼等公司生产的笔记本电脑、手机、照相机、摄像机等的外壳广泛使用稀土压铸镁合金，提高了外壳的强度和刚度，减少了电磁波对人体的辐射，其中，应用最为广泛的是AZ91D 镁合金。

结语

稀土元素的加入对提高合金的抗氧化和抗蠕变性能等起到了主要作用, 为进一步开发高质量镁合金注入了新的活力。稀土镁合金的高强、耐热、耐蚀性能不但能进一步增加镁合金材料在现有的汽车工业、通讯电子业等行业领域中的应用, 还可促进镁合金材料在新领域中的进一步开发和利用, 也为稀土材料的应用开辟出一个十分广阔的领域。不断改进完善现有的稀土镁合金, 开发成本低、性能好的新型稀土镁合金, 对镁合金材料和稀土材料两大领域的发展都将具有极大的推动作用。近年来, 各经济大国对其研究投入越来越多, 这一领域已成为世界研究热点。