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镁业要闻

高性能稀土镁合金新材料

发布时间：2024-04-22 作者：综合管理部

一、高强稀土镁合金

随着镁合金在高温和高强度要求的航空、航天领域的应用，稀土元素应用于镁合金的研究重新受到重视。如图1所示。

在高强耐热镁稀土研究与应用方面，美国始终领先，欧洲和日本也非常活跃，许多应用型镁稀土合金都问世于欧洲。较早的如EK、EZ、QE系列，近期的WE系列。日本也有相近的MC8（EZ33A）、MC9（QE22A）和MC10（EZ41A）等稀土镁合金。中国与发达国家相比，实用镁稀土合金研究仍处于起步阶段，如何变镁和稀土资源的大国为研究和应用的强国，是我们研发的方向。如图2所示。

 

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图1  应用高强稀土镁合金制造的GM Corvette Z06汽车发动机托架



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图2 国内高强镁合金未来发展进程示意图


二、耐热稀土镁合金

目前大多数的耐热镁合金都含有稀土。根据稀土在耐热镁合金中的含量不同，含稀土的耐热镁合金可分为以下三类：

1、低稀土耐热镁合金（RE总量＜2wt%）。代表性的有AE41、ZE41、QE21、ZE10A等合金。另外还包括通过添加少量稀土元素Ce、Y等改善AZ、AS、AM等合金系高温性能，也能满足民用领域的部分需求。

2、中等稀土耐热镁合金（2wt%≤RE总量＜6wt%）。这个范围的合金较多，代表性的有AE42、AE44、ACM522、ZE33、ZE63、EQ21、QE22、QE22A、EK30、EK31、EK41等多个系列。如图3所示。

3、高稀土耐热镁合金(RE总量≥6wt%）。合金有WE33、WE43、WE54等，以及目前开发的Mg-6Sc-1Mn、Mg-15Sc-1Mn和Mg-9Gd-4Y-Zr等Mg-Gd系合金。该系列合金高温性能优异，可以在250-300℃的温度下长期使用。总的趋势来看，随着稀土含量的增加，耐热镁合金的高温性能提高。如图4所示。


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图3  高温性能优异的AE44镁合金铸造壳体部件



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图4  可以在200℃时维持强度不变的Mg-Gd-Y-Zr合金低压铸造部件



稀土镁合金在500-530℃固溶处理可以得到过饱和固溶体，然后在150-250℃附近时效时均匀弥散地析出第二相，获得显著的时效强化效果。从表3-6中可以看出生成的镁稀土化合物熔点都在550℃以上，具有很高热稳定性。

除以上几个系列的耐热镁合金之外，世界各国也根据各自的资源状况开发基于稀土元素的复合添加耐热镁合金牌号。日本专门为压铸汽车发动机油盘而研制开发了一种Mg-Al-Ca-RE系合金，通过添加0.25-5.5%的Ca，达到降低AE42合金成本并获得更佳拉伸强度和蠕变强度的目的。以色列死海镁业和德国大众公司合作开发了另一种Mg-Al-Ca-RE系合金，主要有MR1153、MR1230D。MR1153合金能在150℃高温环境及50-80Mpa负荷下长时间使用。

长春应用化学研究所认为，采用碱土金属（Ca、Sr、Ba）来改善现有镁合金的耐热性能，并开发新型廉价耐热镁合金，是今后耐热镁合金发展的主要方向之一。但是，含碱土金属的镁合金只能在低于200℃的环境下工作，并且承载的负荷也较低，一般多应用在汽车等民用领域。而高稀土的耐热镁合金可以在200-300℃的环境下长期服役，主要应用在航空飞行器和军事兵器领域。虽然加入稀土后成本较高，但其在镁合金中的作用目前无法被其它合金取代。

近年来，长春应用化学研究所系统研究了Mg-8Gd-LRE（LRE：La、Ce和Nd）系和Mg-8Gd-HRE（HRE：Y、Dy、Ho和Er）系合金的组织和性能。研究结果表明，添加少量的轻稀土能够降低Gd在Mg基体中的固溶度，但对提高合金的力学性能和耐热性作用效果有限。在添加的轻稀土元素中，Nd的作用效果较好，其次为Ce、La。添加的重稀土元素Ho、Er、Y和Dy，在镁合金中有很大的固溶度，易取代Gd在基体中的位置，利于提高Gd的时效硬化作用，从而提高合金的力学性能和耐热性。重稀土中Y和Dy的作用效果较好，其次为Ho、Er。组合稀土的添加能改善合金的时效硬化特性，提高合金的力学性能。

三、耐蚀稀土镁合金

镁合金的纯净化、耐蚀合金化和表面处理是提高镁合金耐蚀性能的有效途径。国内外的研究已表明，稀土镁合金一般具有良好的耐蚀性能，稀土元素是提高镁合金耐蚀性能十分有益的元素。添加稀土元素的镁合金其耐蚀性能一般均高于不含稀土的成分相近的镁合金。


近年来通过多元稀土复合与稀土元素和碱土金属的复合实现了镁合金耐蚀性能的突破，已研制出一些具有高耐蚀性的镁合金。因此镁合金的稀土耐蚀合金化是提高镁合金耐蚀性能最有效最有前途的发展方向，稀土耐蚀镁合金具有广泛的应用前景。


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