第一節(jié) 研究 狀況

一、國外稀土鎂合金的 研究 開發(fā)狀況

稀土鎂合金的研制可追溯到20世紀(jì)的20年代，當(dāng)時(shí)德國進(jìn)行了Mg-MM(MM為混合稀土代號(hào)，下同)的開發(fā)工作，并在DMW-801D型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了Mg-6MM-11.7Mn合金鍛件。與此同時(shí)，英國也進(jìn)行了混合稀土的應(yīng)用 研究 工作，于二次世界大戰(zhàn)期間，在飛機(jī)葉片鍛件中使用了Mg-3MM-0.5Mn-0.5Ca合金。但這種Mg-MM-Mn合金存在鑄態(tài)組織晶粒粗化的缺陷，從而影響了其商業(yè)應(yīng)用。

1937年，德國學(xué)者Sauerwald首次進(jìn)行了Zr有效細(xì)化Mg-Th-Zr合金晶粒的工作，對(duì)鎂合金的研制作出了杰出貢獻(xiàn)。Murphy和Payne(于1946年)的工作也發(fā)現(xiàn)MM和Zr可同時(shí)加人鎂中，且Zr對(duì)鎂仍具有細(xì)化晶粒的作用，從而解決了稀土鎂合金的工藝問題，使其在商用領(lǐng)域得到了發(fā)展。

20世紀(jì)60年代初，美國在鑄造鎂合金中發(fā)展了EK,EZ,QE,ZE等系列產(chǎn)品，后來又發(fā)展了耐熱高強(qiáng)WE型鎂合金及EK,ZK,ZE系列的變形鎂合金。

前蘇聯(lián)在稀土鎂合金方面進(jìn)行了許多理論與應(yīng)用 研究 ，一直處于領(lǐng)先地位。于20世紀(jì)70年代，在鑄造鎂合金中發(fā)展TMj19,MjilO,Mall,Mnl5,M.i17,Mjil9系列產(chǎn)品以及阻尼材料MUN(Mg-0.15Zn-5.5Zr-0.58C-0.04Y)，在變形鎂合金中發(fā)展了MA8,MA1l,MA12,MA15,MA19,MA20以及導(dǎo)聲材料MA17超輕材料MA18等。

考慮到成本因素，稀土鎂合金中的稀土元素以混合稀土(富Nd、富Ce、富La,Y)形式加人。隨著稀土鎂合金應(yīng)用要求的不斷擴(kuò)大，開發(fā)研制了越來越多的單一或混合重稀土鎂合金。歐洲國家開發(fā)的Mg-200oGd,Mg-200oTb耐熱鎂合金，其抗拉強(qiáng)度在2500C為280^-320MPa，與WE系合金和鋁合金相比又有了大幅度提高。Mg-l0ooGd(或Dy)-300Nd-Zr合金，由于高溫強(qiáng)度好，具有比AZ91D合金更好的耐蝕性，已成為有希望應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的新合金。目前，正在積極開發(fā)的還有Mg-Sc-Mn-Zr.和Mg-Sc-Mn-Gd(Tb)-Zr合金。日本緊隨歐美步伐，相繼仿制出與歐美最新 研究 成果大致相同的MC8(EZ33A),MC9(QE22A),MC10(ZE41A)等鎂稀土合金，同時(shí)積極研制汽車工業(yè)用稀土鎂合金。1999年開發(fā)出超高強(qiáng)度的IMMg-Y系變形鎂合金材料，以及可以冷壓加工的合金板材。2001年開發(fā)出晶粒尺寸為100^-200nm的高強(qiáng)鎂合金Mg-2ooY-looZn(即Y和Zn的原子分?jǐn)?shù)分別為2%和loo)，其強(qiáng)度為超級(jí)鋁合金的3倍，并具有超塑性、高耐熱性和高耐蝕性。

二、國內(nèi)稀土鎂合金的 研究 開發(fā)狀況

近年，我國的稀土鎂合金也有了很大發(fā)展，在鑄造鎂合金中開發(fā)了ZM2,ZM3,ZM4,ZM6以及ZM8等系列產(chǎn)品，在變形鎂合金中開發(fā)了MB8MB22,MB25以及在MB25基礎(chǔ)上用富Y混合稀土代替高品位Y的MB26。東北輕合金加工廠研制開發(fā)成功的含Nd、含Gd代號(hào)為122和127合金的兩種耐熱高強(qiáng)稀土變形鎂合金，其室溫強(qiáng)度比MA1和HM21要高得多，且300℃下的高溫強(qiáng)度與MA13,HM21相當(dāng)，已在國防軍工上獲得廣泛應(yīng)用。

目前，上海交通大學(xué)的 研究 發(fā)現(xiàn)，在中國牌號(hào)ZM6合金的基礎(chǔ)上通過純釹元素替代富釹混合稀土、調(diào)整合金元素含量范圍以及添加微量合金元素等手段開發(fā)的Mg-2.5~3.5Nd-0.2Zn-0.5Zr-X合金的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ZM6合金和EZ33A合金，而且無須氫化處理。這種合金采用了高溫固溶工藝，從而可以提高固溶處理后的Nd元素在基體中的固溶量以及后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化效果。

稀土元素Y和Gd的優(yōu)良時(shí)效強(qiáng)化作用是近年的重要發(fā)現(xiàn)之一。何上明等人在Rohklin和Kamado等人的工作基礎(chǔ)上系統(tǒng)地 研究 了Mg-Gd-Y-Zr-Ca系合金的顯微組織和力學(xué)性能，并開發(fā)高強(qiáng)度鎂合金Mg-10Gd-3Y-0.6Zr-0.4Ca（GW102K)以及Mg-12Gd-3Y-0.4Zr-0.4Ca（GW123K)。

Mg-Gd-Y-Zr 系列合金力學(xué)性能與溫度的關(guān)系

與日本Kamado等人的 研究 結(jié)果不同的是，他們發(fā)現(xiàn)Mg-Gd-Y-Zr系合金的時(shí)效沉淀析出順序應(yīng)為Mg(SSSS)→β”（D019）→β”（bco）→β1（fcc）→β（fcc），而不是常規(guī)報(bào)導(dǎo)的Mg（SSSS）→β”（D019）→β’（bco）→β（bcc）序列，其中β”和β’在時(shí)效峰值處共存，并以極細(xì)的針狀或片狀彌散析出，沿鎂基體的{11-20}棱面分布，首次在該合金系內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種具有面心立體的新型過渡相β1，該相在基面上呈現(xiàn)菱形顆粒狀。

幾種主要的過渡相的形貌與斑點(diǎn)

注：250℃下時(shí)效(a)16h,(b)193h和(c)2400h的GW103K合金TEM明場像和微束衍射 分析 花樣顯示了β’,β1,和β析出相的形態(tài)與晶體特徵。入射束分別平行于[0001]α和[001]β’(a),[110]β1(b),以及[110]β(c)。
 

此外，上海交通大學(xué)還對(duì)Mg-Dy-Nd，Mg-Y-Sm，Mg-Gd-Nd等其它稀土系合金進(jìn)行了 研究 與優(yōu)化，得到不同稀土含量的鎂合金，與Mg-Gd-Y和Mg-Nd系合金類似，這些鎂稀土系主要強(qiáng)化方式為高溫時(shí)效析出的亞穩(wěn)相，因此具有良好的強(qiáng)度與耐熱性，為高強(qiáng)度耐熱鎂合金。

第二節(jié) 研究 進(jìn)展

一、稀土元素在鎂合金中的作用

由于稀土（包括釷）鎂合金的出現(xiàn)，使鎂合金的應(yīng)用自20世紀(jì)50年代以來，得到了迅速發(fā)展。稀土在鎂合金中的作用可歸結(jié)為：提高抗蠕變能力，提高室溫和高溫強(qiáng)度和改善工藝性能。因此，目前世界各國的含稀土鎂合金已占鑄造鎂合金的50%以上。

（1）高溫抗蠕變合金

首先在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用的是Mg-RE-Zr（Mg-3RE-0.1Zr）合金，滿足了205℃具有高強(qiáng)度和抗蠕變性能。

（2）高強(qiáng)度稀土Mg-Zn-Zr合金

ZK51（Mg-4.5Zn-0.6Zr）具有280MPa的抗拉強(qiáng)度，但鑄造性能差。加入稀土后，在鑄造組織中呈現(xiàn)Mg-Zn-RE化合物，以分離型共晶分布于晶界，使鑄造工藝性能明顯改善。

ZE63A（Zn-6wt%，RE-2.5wt%，Zr-0.6wt%）用于RB211發(fā)動(dòng)機(jī)的推力換向器已有多年。它的抗拉強(qiáng)度可達(dá)276MPa；屈服強(qiáng)度達(dá)186MPa；延伸率達(dá)5%。

（3）含釔稀土鎂合金

釔對(duì)鎂合金具有很好的強(qiáng)化作用，這是由于釔固溶于基體中以及晶界被耐熱的化合物封閉所致。因此，Y-Mg合金具有較高的熱強(qiáng)性能，甚至達(dá)到釷鎂合金的高溫性能。此外，它還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能。含9wt%的鎂合金在潮濕空氣中加熱到510℃，保持98小時(shí)僅增重1mg；而含釷的鎂合金則增重達(dá)15mg。

二、最新 研究 動(dòng)向與成果

1、稀土鎂合金 研究 成果在長春一汽廣泛應(yīng)用

中國科學(xué)院長春分院對(duì)中科院東北振興科技行動(dòng)計(jì)劃重大項(xiàng)目“稀土鎂合金及其在汽車上的應(yīng)用”進(jìn)行跟蹤調(diào)研。

該項(xiàng)目在長春應(yīng)化所和長春一汽鑄造公司的通力合作下，迅速啟動(dòng)并取得重大進(jìn)展，目前已經(jīng)具備批量生產(chǎn)鎂合金部件的能力。在一汽鑄造公司專家們看到鎂合金的熔煉設(shè)備、壓鑄設(shè)備、檢測設(shè)備及外加工設(shè)備均已到位，多數(shù)設(shè)備正式投產(chǎn)。目前，大批量、多種類的鎂合金部件已經(jīng)取代了鋁合金部件。一個(gè)以稀土鎂合金技術(shù)為核心的鎂合金應(yīng)用產(chǎn)業(yè)正在迅速形成。

稀土鎂合金項(xiàng)目所采取的技術(shù)路線，創(chuàng)新性地解決了材料性能達(dá)標(biāo)問題，國外沒有這個(gè)技術(shù)，這個(gè)技術(shù)在國際上是領(lǐng)先的。中科院對(duì)核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)進(jìn)行投入，非常必要和及時(shí)。中科院發(fā)展產(chǎn)業(yè)化的方針和對(duì)項(xiàng)目的準(zhǔn)確投入，一汽是受益者，是對(duì)一汽發(fā)展鎂合金應(yīng)用的最大支持。由于一汽的部件產(chǎn)品輻射全國，不排斥其他廠家的應(yīng)用，所以這個(gè)計(jì)劃的實(shí)施，必將對(duì)中國汽車工業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2、新型稀土鎂合金汽車材料研發(fā)成功

一種耐熱、抗蠕變的稀土鎂合金汽車材料，近日由瑞格鎂業(yè)有限公司研發(fā)成功，并與通用集團(tuán)合作，應(yīng)用在其汽車制造的多個(gè)組件上。

這種高性能鎂－稀土合金的研制、開發(fā)與應(yīng)用，能使汽車各項(xiàng)性能均超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品水平。瑞格鎂業(yè)公司和國際５００強(qiáng)企業(yè)之一的通用汽車聯(lián)手合作，共同開創(chuàng)了本土礦產(chǎn)企業(yè)與國際巨頭強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、共謀發(fā)展的形式，加上瑞格在技術(shù)的產(chǎn)品品質(zhì)上的不斷創(chuàng)新，為瑞格鎂業(yè)廣泛進(jìn)入國際市場打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。瑞格鎂業(yè)是一家專業(yè)從事金屬鎂、鎂合金、變形鎂合金及相關(guān)產(chǎn)品深加工的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的現(xiàn)代化企業(yè)。金屬鎂年設(shè)計(jì)產(chǎn)能１１０００噸，鎂合金年產(chǎn)能１２０００噸屬于規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)。瑞格鎂業(yè)生產(chǎn)的鎂系列產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于航天、汽車、電子等國內(nèi)發(fā)展十分迅速的 行業(yè) 。在３Ｃ電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具等相關(guān)領(lǐng)域。

3、稀土鎂合金熱壓縮動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的 研究

采用Gleeble-1500D熱模擬機(jī)對(duì)Mg—Al—Zn—Nd稀土鎂合金的變形規(guī)律及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行 研究 。結(jié)果表明：合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增加，隨溫度的升高而降低；變形量對(duì)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的影響很小；變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，隨變形程度的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒不斷增多，材料呈現(xiàn)明顯的軟化趨勢，流動(dòng)應(yīng)力下降。當(dāng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程完成以后，繼續(xù)變形，材料又出現(xiàn)硬化行為；并且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸的自然對(duì)數(shù)與Zener—Hollomon參數(shù)的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn) 分析 ，合金適宜的熱加工條件為：變形溫度400～450℃，應(yīng)變速率0．1—5s^-1。

第三節(jié) 發(fā)展非晶鎂合金與鎂合金的超塑性 研究 的潛力

由于傳統(tǒng)高溫塑性加工具有變形溫度高，工藝控制復(fù)雜等缺點(diǎn)，適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展的趨勢，迫切需要提高鎂懿低溫塑性糯工性薤，拜發(fā)薪的鎂合金塑性加工方法。由于機(jī)械性質(zhì)對(duì)晶粒尺寸有非常大的依存性，晶粒細(xì)化可以大螭度改善鎂合金的室灄強(qiáng)度、延袋性以及越塑性，健會(huì)金的鏊性船工牲轆得到提高，鎂合金的超塑性及利用其超塑性進(jìn)行塑性加工成形裁造方面的 研究 越來越受到重視。

盡管鎂合金超塑性已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，但目前基于超塑性的工業(yè)化成形加工制造卻非常有限。其主要原因可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：1）鎂合金超塑性往往在非常慢的應(yīng)變速率下才能實(shí)現(xiàn)，難以符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求；2）實(shí)現(xiàn)超塑性的變形溫度過高，加工作業(yè)性差，模具容易損壞，生產(chǎn)成本高；3）超塑性鎂合金的制備控制復(fù)雜，成本高，難以規(guī)模化。

在此背景下，除了大量的針對(duì)鎂合金超塑性現(xiàn)象及其機(jī)制的 研究 以外，如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)條件下的鎂合金超塑性成形加工業(yè)受到了廣泛的關(guān)注。目前為止的 研究 在一定程度上為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)和可行的發(fā)展方向。

總體而言，鎂合金超塑性的 研究 在過去的十年左右時(shí)期內(nèi)獲得了大量的科研成果。但要達(dá)到為材料及工藝設(shè)計(jì)提供足夠的理論依據(jù)，及工業(yè)化應(yīng)用還有很多需要解決的課題。從大的方面講，還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行 研究 ：

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