神奇的稀土鎂合金
2019-12-06 14:05 ?瀏覽：次
稀土元素是元素周期表ⅢB族中的鈧、釓、鑭系等17元素的總稱，常用R或RE表示。通常把鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu稱為輕稀土或鈰組稀土，釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tu、鐿Tb、镥Lu、釔Y稱為重稀土或釔稀土。稀土金屬的化學活性很強，當和氧作用時生成穩(wěn)定性很高的R2O3型氧化物，中國稀土資源極其豐富，儲量大、品種全、有價值元素含量高、分布廣，按氧化物計算的工業(yè)儲量為國外總儲量的2.2倍。
稀土元素的性質(zhì)極其相近，在鎂中的固溶度較大，且固溶度隨溫度的降低而急劇減小，在200℃時的僅為最大固溶度的1/10。除鈧以外的其他稀土元素與鎂在507℃~617℃內(nèi)均存在共晶反應。富鎂端共晶化合物類型隨稀土素原子序數(shù)變化而改變。稀土在鎂中的固溶度隨其原子半徑的增大而降低。Mg-RE合金晶界上網(wǎng)狀分布的低熔點共晶化合物可以抑制顯微疏松的形成，因而合金有很好的流動性，良好的可鑄造性能，鑄態(tài)合金的組織由等軸α-Mg固溶體晶粒和晶界網(wǎng)狀化合物組成。時效時從α-Mg中析出細小沉淀相，有相當大的強化作用，同時晶界上的網(wǎng)狀化合物阻礙晶界移動，因而Mg-RE合金有高的抗蠕變強度，成為一群有特色的高溫鎂合金。
Mg-RE合金有較大的時效強化作用，因為時效時從α-Mg過飽和固溶體中沉淀與α-Mg固溶體共格的GP區(qū)與β""相及β"相，以Mg-Nd合金為例，其沉淀序列為：
α-Mg→GP區(qū)→β""→β"（Mg3Nd）→β（Mg12Nd）
GP區(qū)呈盤狀，與基體完全共格，過時效生成的平衡相為β（Mg12Nd），屬體心四方晶系，與基體不共格。
Mg-RE合金通常還含有鋅和鋯，Zr可以顯著細化合金鑄造組織，Zn可以進一步提高合金的抗蠕變強度。鎂-稀二元合金晶粒粗大，力學性能低，不能作為結(jié)構材料使用。加鋯后，組織細化，才使鑄造狀態(tài)合金的力學性能上升到工程結(jié)構可以接受的水平，因此，Mg-RE合金均含有一定量的鋯，如EK30A合金（Mg-Th3%RE-0.7%Zr）是首個以稀土為主要合金元素的高溫鑄造鎂合金，在200℃以下有高的抗拉強度和抗蠕變強度，可以滿足航空發(fā)動機一些零部件的工作環(huán)境要求。向Mg-RE-Zr系合金再加鋅的四元合金具有更高的力學性能，EZ33A合金是這類合金的典型代表，有取代EK30A合金之勢。在Mg-RE-Zr合金中加銀可獲得抗拉性能大為改善的新型合金EQ21A。
Mg-RE-Zn-Zr合金的顯微組織由α-Mg固溶體和晶界上的塊狀化合物組成，鋅的加入不但增加了晶界上化合物的數(shù)量，而且增強它們的連續(xù)性。在EZ23A合金中，稀土化合物為Mg9RE。
近些年來，耐熱Mg-RE合金成了熱門的研究課題。釔在鎂中的固溶度高達12.5%，且隨著溫度的下降而減小，可形成有時效硬化能力的一系列合金。已開發(fā)出Mg-Y-Zn-Zr系合金、Mg-Y-Nd-Zn-Zr系合金、Mg-Y-Nd-Zr系合金。Mg-Y-Zn-Zr系合金有良好的綜合力學性能和可鑄造性能，長期工作溫度可達300℃，若再添加Nd，可進一步改善其熱強性能。還有可與鋁基鑄造合金抗蝕性當?shù)目垢g性能。由于釔價高，且不易與鎂形成合金，可以用含75%釔、釓、鉺等重稀土元素的混合稀土取代釔。
在Mg-Y-Nd系合金中，Mg-6Y-2Nd合金具有最高的抗拉強度和相當高的伸長率，WE54是該系合金獲得商業(yè)應用的頭一個，有優(yōu)秀的高溫性能，已用于制造航空器與賽氣汽缸，不過此合金在150℃長期工作時，會有β""相的二次析出，使合金的塑性逐漸下降，以致不能再用。研究表明，適當減少釔含量，提升Nd含量，合金強度雖略有下降，但可以保持良好的塑性，WE43就是這樣的一個合金。