作者：陈巧旺，汤爱涛，许婷熠，王玉容，叶俊华，潘复生　重庆大学/重庆文理学院　　（正式论文刊登在《材料导报：综述篇》2016年第30卷第9期）

    摘要：从合金体系和纯净化工艺两个方面对高性能铸造稀土镁合金进行了综述。按时间顺序，对Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Gd三个系列合金的研究现状进行论述，重点针对Mg?Gd系合金，着重介绍了其发展历史、力学性能、强化机制。通过纯净化前后的对比可以看出，纯净化可以有效地降低合金中的缺陷，提高合金的力学性能。最后分析讨论了高性能铸造稀土镁合金研究中存在的问题以及今后发展的主要方向。

    0　引言

    镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、导热导电性能好、阻尼减振、电磁屏蔽等优异性能，在交通、通讯、航空航天等领域有广阔的应用前景[1-8]。但镁合金的绝对强度较低，限制了其进一步的应用。因此高性能，尤其是高力学性能的镁合金成为了发展重点。目前镁合金实际应用中成形的主要方法是铸造，在已应用的镁合金中，几乎90%涉及到铸造镁合金，因此发展高性能铸造镁合金是扩大镁合金应用的重要途径。

    早在20世纪30年代，人们就发现了稀土元素(RE)对镁合金具有很好的强化作用。稀土元素的加入具有改善合金组织、提高合金强度等作用，因此目前发展的高性能铸造镁合金主要是稀土镁合金，具有代表性的是Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Gd三个体系。

    对于铸造镁合金，其性能除了受到合金体系及热处理工艺的影响外，熔体纯净度的影响也十分明显。因此，本文主要从铸造稀土镁合金的合金体系(如无特别说明，合金成分均为质量分数)和熔体纯净化工艺研究发展现状两个方面进行分析讨论。

    1铸造稀土镁合金体系

    1.1　Mg-Nd系

    1949年，美国陶氏化学公司的Leonis对Mg-RE二元合金的性能进行了研究[9]。由于La、Ce、Pr、Nd轻稀土元素价格最低且应用广泛，Leonis的研究对象仅限于这4种稀土元素。同时由于技术原因，所用稀土的纯度受到限制。具体为：La=98.5%；Ce=97.3%；Nd是名为“didymium”的混合稀土，具体含量为80.5%Nd，9.8%La，8.8%Pr，0.9%Ce；Pr是混合稀土，具体含量为68.9%Pr，27.2%La，3.0%Nd，0.8%Ce。Leonis的研究显示：随着原子序数增加，La、Ce、Pr、Nd在镁中的最大固溶度和强化效果均依次增加。4种Mg-RE二元合金的最高强度值对应的稀土含量与该稀土在镁中的最大固溶度基本一致。Mg-Nd系合金的强化效果主要依赖于时效过程中沿基体棱柱面析出的β″亚稳相。

    Leonis的研究成果促进了以Nd为主要合金添加剂的商业铸造镁合金的发展，比较有代表性的有前苏联研发的ML10和我国的ZM6合金，这两种合金的化学成分和典型室温力学性能如表1所示。

        付彭怀[10,11]对该系合金的成分进行了进一步优化，得到合金成分为Mg-3Nd-0.2Zn-Zr时，经过T6热处理(540℃/10h+200℃/16h)后力学性能最优，分别为YS(屈服强度)=140MPa，UTS(极限抗拉强度)=300MPa，E(断裂延伸率)=11%。

    1.2　Mg-Y系

    稀土镁合金的下一项重要进展是London等[12]于20世纪60年代取得的，他们的研究显示Y具有更好的强化效果，能获得比Nd高得多的强度。根据这项研究，开发了含Y的商用镁合金，其中最为典型的是WE54和WE43合金。该类合金在时效过程中会沿基体棱柱面析出β″亚稳相。由于Y在Mg中的最大固溶度比Nd高，因此，Y具有更好的强化效果。商用WE54合金T6态下典型的室温拉伸性能为UTS=255MPa，YS=179MPa，E=2%[13]，该合金在高性能汽车、航空航天及军工领域都具有诱人的应用潜力[14]。但是由于WE54的Y含量较高，在150℃附近长期使用时，会析出具有DO19结构的β″相，硬度逐渐上升，而韧性会降低到一个不能接受的水平[15]。因此，人们调低Y和Nd的含量，在保证整体强度稍微降低的情况下，保持适当的韧性，同时减小低温时效硬化现象的影响，基于此开发出了WE43合金。该合金具有优异的综合性能，且成本比WE54低，应用范围广。

    1.3Mg-Gd系

    20世纪70年代，前苏联莫斯科拜可夫冶金研究所(BaikovInstituteofMetallurgy)的Rokhlin等沿着Leonis的思路，研究了其余稀土元素在镁合金中的强化作用。Rokhlin等在稀土镁合金研究方面的工作是相当系统、全面的，其出版的专著[16]包括镁与稀土间的物理-化学反应、稀土镁合金过饱和固溶体的分解、稀土镁合金的塑性变形和再结晶特征、稀土元素对镁的力学性能和其他性能的影响、商用稀土镁合金的成分和性能5个章节。该专著目前是研究稀土镁合金最全面的著作。Rokhlin等的研究发现Gd元素的强化作用较为显著，使Mg-Gd系合金成为研究的热点[17-21]。

    对Mg-Gd-Zr合金的研究发现：Gd含量小于10%的合金尽管延伸率可以达到10%，但Gd含量较少，引起时效析出的强化相也较少，导致合金的强度和耐热性较差；Gd含量大于20%的合金强度高，但延伸率却极低。铸造Mg-20Gd-Zr合金的抗拉强度和延伸率在250℃分别为310MPa和2%，在室温则很脆，只有220MPa和不足0.3%[22]。针对Mg-Gd系合金的特点，后期的研究中一般加入其他元素来替代Gd元素，同时达到强化效果并提高合金的延伸率。从加入合金元素种类的角度来看基本分为3类：(1)加入另一种稀土元素，例如Y、Nd等，分别形成Mg-Gd-Y-Zr和Mg-Gd-Nd-Zr合金体系；(2)加入一种非稀土元素，最常用的是Zn和Ag，形成Mg-Gd-Zn-Zr和Mg-Gd-Ag-Zr合金体系；(3)同时加入一种稀土元素和一种非稀土元素，其中最具代表性的是Mg-Gd-Y-Zn-Zr和Mg-Gd-Y-Ag-Zr合金体系。下面分别对几种代表性合金体系进行综述。

    1.3.1　Mg-Gd-Y-Zr系合金

    Rokhlin等[23]使用了价格较为便宜、密度较小、在镁中固溶度较低的Y代替部分Gd，形成了Mg-Gd-Y系镁合金。此时形成的Mg-Gd-Y合金中含有0.5%的Mn，用来提高耐腐蚀性能，即为Mg-Gd-Y-Mn合金。日本长冈技术大学的Kamado等在Rokhlin的基础上，用Zr代替Mn，由于Zr的晶粒细化效果要好于Mn，合金性能有了进一步的提升，形成了Mg-Gd-Y-Zr合金体系。此类合金的强化效果主要依赖于时效过程中大量析出的β′相，该相具有高效阻碍基面位错滑移的形状和位向、较大的体积分数、良好的析出相/基体共格界面和较高的热稳定性。此合金体系研究较多，部分铸造合金的力学性能如表2所示。

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