高性能压铸稀土镁合金材料研究现状

随着国家节能减排政策的力行，轻量化成为当下制造业发展的主流趋势。镁合金因其具备轻质、高的比强度和比刚度、高阻尼减震性能、电磁屏蔽性能、良好的切削加工性能及绿色环保等特性，在消费电子、交通运输、航空航天等领域逐渐凸显其优势[1-4]。当前，世界镁消费90%以上集中在铝合金生产、镁合金压铸件生产及炼钢脱硫。过去十年，镁合金压铸件迅猛发展，以北美、拉美及西欧市场为主，每年以超过15%的速度增加。亚洲市场主要消费集中在3C 电子产业，其镁合金电子产品占全球消费15%以上。在压铸镁合金笔记本电脑零件上，中国和日本厂商全球市场占有率超过了85%[5]。

但是目前来看，镁合金消费远远不及铝合金及钢铁消费，在轻量化领域“以镁代铝”、“以镁代钢”应用中存在严重的不足，主要体现在：①镁合金应用牌号尤其是压铸镁合金牌号较少；②镁合金压铸件性能较低，力学强度及塑韧性不足，高温性能和耐腐蚀较差；③镁合金成型及加工成本较高。而稀土被认为是提高镁合金综合性能的最具实用价值的元素[6-7]，我国作为稀土大国，具有先天资源优势。我国学者在这方面做了大量的研究并开发了众多压铸稀土镁合金牌号。本文综述了近年来国内压铸稀土镁合金材料研发现状，对现有压铸镁合金材料体系进行研究，并对今后的发展趋势进行论述。

1 稀土改性研究

目前，在压铸镁合金应用中主要为Mg-Al 系列合金，以AZ91D 和AM60 为代表，用量占整个镁合金压铸市场的90%以上。这种合金具有较高的室温强度，铸造性能和机械加工性能也非常优秀，在3C领域具有广泛的应用，但耐热性能较差，失效温度只有120 ℃，限制了其应用范围。适量添加稀土元素后可以形成高熔点稳定相，有效钉扎晶界，显著提升高温性能，同时稀土具有细化晶粒和净化熔体的作用，可以提升合金强度及耐蚀性能。

国内对稀土改性压铸镁合金体系的研究较多，有代表性的如：中科院长春应用化学研究所张德平等[8]开发出廉价富Ce/La 稀土改性的AZ91X 合金，室温强度较原合金提升29.6%，高温强度提升30.7%，150 ℃蠕变速率从2.3×10-8 s-1 下降到2.02×10-8 s-1，该成果已应用于汽车发动机罩盖等零件生产；田政等人[9]利用富Y 混合稀土开发出AM60Y压铸合金，合金室温抗拉强度由185 MPa 提升至210 MPa，150 ℃条件下抗拉强度由90 MPa 提升至128 MPa。武汉科技大学张诗昌等人[10]开发了Y 改性的AZ91-Y 合金，相比于Ce、La 元素，Y 在镁基体中的固溶度更高，且其位错运动挣脱Y 原子的束缚所需临界应力要远大于Ce 原子，因此AZ91-Y 合金具有更高的室温和高温强度，180 ℃下合金的高温抗拉强度对比室温下降幅度由30%降低为5%。吉林大学王明星等人[11]开发出Y、Ce 微合金化改性的AM50YCe 稀土镁合金，采用固溶强化加弥散强化的复合强化处理手段使合金的室温抗拉强度由151 MPa提升至245 MPa，150 ℃时高温抗拉强度由124 MPa提升至213 MPa。沈阳工业大学王越等[12]利用Nd对AM50 压铸镁合金进行改性，150 ℃时合金屈服强度由95 MPa 提升至110 MPa，且合金在室温及高温下均表现为韧性断裂。沈阳工业大学王峰等人[13]开发了Ca、Y 复合强化改性的AZ91D-Y-Ca 合金，强化效果较好，200 ℃时的抗拉强度由120 MPa 提升至226 MPa。表1 列举了近年来国内部分稀土改性压铸镁合金牌号的室温及高温力学性能，可以看到稀土改性研究主要集中在Ce、La、Nd 等轻稀土元素及重稀土元素Y，以稀土微合金化为主，且复合强化的效果要高于单一稀土强化，室温强化效果Ce＞La＞Y＞Nd，高温强化效果Y＞Nd＞Ce＞La。另外由于Nd 价格较贵，单一强化效果不佳，因此一般以微合金化复合强化为主。Ce 及La 属于廉价富余稀土，价格较低且市场余量较大，以合金化、微合金化为主，应用较为广泛[14]。Y 高温强化效果较好，一般用作高温强化主要稀土元素。目前，重稀土改性方面，除Y外其他元素研究较少，一方面是因为价格较高，不符合成本控制；另一方面是因为重稀土元素在Mg中固溶度较高，需添加较高含量才能达到理想强化效果，一般用作WE、VW 等高强及超高强稀土镁合金合金化元素。

2 镁-铝-稀土系合金研究

另一个重要的研究体系就是镁-铝-稀土合金体系，这一体系合金中铝含量低于AZ91D，并含有中高含量的稀土元素。比较典型的是Hydro Magnesium 公司研制的AE44 合金，该合金表现出优秀的压铸性能、室温及高温力学性能，已广泛应用于直升机螺旋桨、装甲车体等结构件[15-16]。但由于该合金含Nd、Gd 等贵稀土元素，难以推广应用。国内学者对此做了优化改善，如中科院长春应用化学研究所开发的低成本ACeLa44 合金，拥有不低于AE44 的性能，且成本大幅下降。嘉瑞科技(惠州)有限公司在此基础上开发ACeLaSm 合金，成本进一步降低，同时保证合金力学性能较高。哈尔滨工程大学[17]开发的单一稀土元素La 替代混合稀土的AlLa45 合金，其室温及高温耐热性能均高于AE44 合金。沈阳工业大学吴伟等人[18]研发的Mg8AlxNd 系列合金，低周疲劳性能得到明显改善，同时力学性能也得到大幅度提升。西安理工大学李潇等人 [19] 开发的Mg4Al6La 压铸镁合金，在具有最佳室温综合性能的同时，具备较高的导热性能。表2 列举了国内部分Mg-Al-RE 系压铸合金牌号的化学成分和力学性能，可以看到镁-铝-稀土系列合金一般铝含量较低，这样既保证了必要的压铸性能和力学强度，又降低了Mg17Al12 相的含量；与传统Mg-Al-Zn 合金相比，该系列合金具备更加优秀的耐高温蠕变性能。但目前国内研究多停留在单一稀土或二元、三元合金的强化机制研究上，对多元合金及轻重稀土复合强化的研究较少，且很少系统性的对各元素及强化机制进行基础研究。另外由于部分稀土的价格高昂，导致了可实现工业化应用的合金牌号较少，目前能实现工业应用的牌号均为AE44 变种改进牌号。

3 镁-稀土-锌系合金研究

由于Mg-RE 系合金具备良好的高温抗蠕变性能，因此各国研究人员对此进行了大量的研究开发。欧洲最早开发的EK、EZ 及WE 系列合金均具备较高的高温力学性能，我国从20 世纪80 年代开始陆续开发了国产系列稀土镁合金牌号，如ZM3、ZM4、ZM6 等，但这些合金均采用重力铸造工艺，主要应用于军工及航空航天领域。早在1998 年，英国MEL 公司开发出不含Al 的压铸稀土镁合金MEZ合金，主要用作变速箱及油盘的生产。 2006 年CCP公司公布了3 种Mg-RE-Zn-Zr 牌号耐热合金，以RE 为主要合金化元素，可压铸生产。国内对Mg-RE-Zn压铸合金材料开发的研究较少，上海交通大学金正力等人[20]以MEZ 合金为基础开发出Mg-Y-Zn-Zr耐热压铸合金，200 ℃抗拉强度达到208 MPa，200 ℃/70 MPa 条件下蠕变速率低于10-9 s-1，100 h蠕变应变为0.083%。哈尔滨工程大学韩黎明等人[21]开发了Mg-La/Pr-Zn 可压铸镁合金，合金流动性及充型能力良好，200 ℃条件下抗拉强度和屈服强度分别达到143 MPa 和116 MPa，且合金耐腐蚀性较AZ91D 得到明显提升。表3 为国内Mg-RE-Zn 压铸镁合金各牌号的力学性能数据，可以看到200 ℃以上高温性能较好，但相对常用压铸合金Mg-RE-Zn合金的室温强度略低，适用于高温工作部位零部件。目前国内对Mg-RE-Zn 系压铸镁合金研究较少，缺乏可工业应用的牌号。

4 其他体系合金研究

除了上述主要体系合金外，研究人员还进行了其他体系高强及耐热压铸镁合金牌号的研究开发工作。如沈阳工业大学王志等人[22]以GWK 变形合金为基础，开发出高稀土含量且适用于压铸的高强耐热GW123K 合金，压铸合金室温屈服强度到214 MPa，200 ℃高温条件下屈服强度为202.6 MPa。山东大学徐培好等人 [23] 开发了高锌压铸合金ZA85C，合金在200 ℃高温条件下抗拉强度达为195.06 MPa，且断裂方式表现为韧性断裂，其具体性能列于表4。需要注意的是，这类牌号合金化程度较高，往往具备更高的强度，但易造成偏析，一般需进行均匀化处理。另外，该类合金压铸工艺过程控制要求比较严格，相对来说压铸工艺难度较一般合金要大，而目前对这类合金的压铸工艺研究开发工作做的较少，工艺不太成熟，仅限于试验试制。

5 展望

随着汽车、3C 工业及航空航天业的发展，对轻质镁合金材料的需求日益增长，同时对材料综合性能及耐热性能要求越来越高，因此开发高性能稀土镁合金材料成为科研工作者和从业人员面临的急迫问题。我国作为稀土资源大国，拥有天然优势，但目前国内对稀土镁合金的研究应用尚欠不足，而且稀土作为战略资源，各元素资源比例差距较大，如何高效合理的发挥各稀土元素属性优势，切合市场发展需求，需要我们深入研究。

在稀土镁合金应用方面，未来的发展方向主要侧重在：①充分利用廉价富余稀土Ce、La、Sm 等元素，发挥其成本及资源优势，开发市场契合度高的低成本高性能稀土镁合金材料；②充分利用稀土元素复合强化效果，开发轻重稀土复合强化及多元稀土强化材料体系；③加强对单一稀土及多元稀土复合强化机制的理论研究；④注重材料压铸性能的优化。材料开发过程除了考虑力学性能及成本高低外，还要考虑压铸成型性的优劣。

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