利用稀土提高镁合金的高温力学性能

镁及镁合金是目前可应用的最轻的金属结构材料，具有铝和钢不可替代的性能，如高比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极低的密度等，在科技前沿的航空航天领域获得广泛的应用，被用来制作飞机、导弹、飞船、卫星上的重要机械装备零件，以达到轻量化、优化性能及降低成本的目的。但是，镁合金高温强度和蠕变性能较差，限制了其应用。特别是在航空航天器和武器装备上，镁合金难以用于制作高温长时间使用的部件。镁合金高温性能较差的主要原因是：传统镁合金的时效析出强化相，如Mg17Al12、Al-Mn相等，均缺乏有效的耐高温性能。
研究发现，稀土是所有合金元素中提高镁合金耐热性能最有效最直接的合金元素。因此，加稀土元素来提高镁合金的高温性能成为当前镁合金一个研究热点。在镁合金中添加的稀土元素大致可以分为两类:一类是在镁合金中固溶度较小的Ce、Pr等;另一类是固溶度较大的Y、Nd等，其强化机理是固溶强化和时效强化。稀土镁合金通过固溶强化和析出强化，大部分含稀土铸造镁合金在室温和高温下都有较好的性能。稀土元素在晶内可以和基体形成共格的高熔点、高温下低扩散的金属间化合物，因此可以提高材料的高温力学性能。
据报道，Mg-5Al-1Si合金在加入微量稀土Nd后可以提高其抗高温蠕变性能;在镁合金AM50中加入1%的Y后，抗高温蠕变性能明显改善;加入La也能提高合金蠕变抗力。另据报道，添加0.5%Sr和1.5%Y对AZ31镁合金有明显的细晶强化、固溶强化和析出强化作用，其250℃的高温力学性能明显提高，σ0.2=101MPa、σb=117MPa、δ=37.75%，相比AZ31分别增加了46.4%、54.5%和53.02%;该合金在250℃高温拉伸的断口表现出典型的韧性断裂，断口形貌为大量韧窝及撕裂棱。在压铸AZ91合金中加入适量的Ce后，Ce与合金中的Al生成Al4Ce，取代了部分耐高温性能差的Mg17Al12相，提高了合金在150℃时的强度。国外有报道，添加稀土元素Gd试制出Mg-9Gd-4Y-0.6Mn合金和Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金，显示出优异的高温力学性能，明显优于WE54和WE43合金。
特别值得注意的是，研究发现，在一定温度区间内，部分稀土镁合金存在较高温度的强度高于室温强度的现象。例如，GW123K在150℃和200℃的拉伸强度均高于室温。又如，砂铸Mg-10Gd-3Y-Zr合金在200℃时具有高于室温的拉伸强度。上述独特的强度反常现象可能是由于高温下一方面原子扩散速度的加快加强了其钉扎位错作用，从而增强了合金的强度;另一方面高温时稀土与基体镁反应生成了高熔点的热稳定相，这些热稳定相弥散分布在晶界上阻碍位错运动。
镁合金作为一种新型优质材料，在未来应用中有着广阔的天地。中国稀土资源世界第一，大力研发附加值高的先进镁稀土合金，并应用于高精尖行业上，是我国金属研究的一个具有重要战略意义的任务。
(来源：钢铁产业)