摘 要：镁合金在交通运输、航空航天等领域的巨大应用前景引起了世界各国研究机构和科研人员的关注。一直以来，欧美国家在耐热镁合金的开发和应用研究上都处于领先地位。随着我国经济的快速发展，高性能耐热镁合金的开发与应用得到我国政府、科研机构和研究人员的日益关注。特别是近十几年来，我国在耐热镁合金的研究上已经呈现后来居上的态势。作为一个镁资源和稀土资源大国，进一步加快镁的深加工水平，提高镁制品的科技含量，开发出系列具有国际先进水平的新型高性能镁合金和先进的镁合金制备和成型新技术，将为我国国民经济发展注入强劲的科技创新动力。
关键词：镁合金；组织；性能；强化机理
前言
镁的比强度比铝和钢高，比刚度相当，常用于汽车发动机与传动部件、轨道交通、航空航天器结构部件等。仅在汽车上，就有100多种零件采用镁合金，比如德国大众、美国通用、日本丰田和国内的上汽、东风、长安等公司已经在发动机、变速器和仪器仪表壳体及各种支架上应用镁合金材料。但是，镁合金在高温使用时，其高温强度和蠕变强度会急剧降低，使得使用范围受到较大限制。因而耐热镁合金的研究和开发得到了科研机构和研究人员的关注。
1 研究目的
Mg-Th系列是最早开发的耐热镁合金，开发伊始大量应用于导弹和飞机，但是因为Th的放射性会造成人身伤害，因而已经不再使用。后来研究人员又开发了AE系、WE系、EZ系、AS系等稀土耐热合金。稀土元素可以减小镁合金晶界扩散的渗透性，减慢其相界的凝聚作用。而且，常见的稀土元素会和镁元素形成热稳定性较高的的第二相粒子，这些粒子在镁合金变形的过程中起到阻碍位错的作用，从而增加合金的抗变形强度。这些稀土镁耐热镁合金长期使用温度可达120℃以上，因而得到广泛的开发和应用研究，然而，由于稀土的比重远高于镁，且镁在浇铸时极易烧损，其浇铸工艺难控，所得合金的稳定性较差。同时，稀土耐热镁合金的塑性通常较差，不利于机械加工。
文章主要针对现有的商业化镁合金高温力学性能差，不能长期用于高温环境的不足，以及已有的AS系镁合金铸造性能差，抗拉强度和屈服强度低，AE系凝固范围窄，充型能力差等缺点，分析微量钆、钪、钇等稀土元素及碱土族元素对耐热镁合金组织性能的影响，并研究多种强化机制对合金基体和晶界的强化作用，为开发新型镁-稀土合金奠定研究基础，以满足汽车及航空工业对更高耐热性能的要求。
2 镁合金的组织及性能
2.1 常用耐热镁合金
美国在高强耐热镁稀土合金研究与应用上起步最早，开发了多种系列的稀土镁合金，如AE系列镁稀土压铸合金和WE系列合金，早已投入规模应用。欧洲是研究镁合金最活跃的国家，主要开发的EK系列、EZ系列、QE系列等多用在飞机、导弹铸件中，以及其后进行的Mg-Gd、Mg-Sc-Mn、Mg-Tb合金等稀土镁合金的研究，奠定了欧洲各国的稀土镁合金合金的基础研究。日本在二战结束后，大量吸收并相继仿制出MC8（类似于EZ33A）、MC9（类似于QE22A）、MC10（类似于ZE41A）等稀土镁合金。我国近十年来在耐热镁合金方面的研究呈现快速发展的趋势，国家已经开始大力推动镁合金产业化并出台相关支持政策，与此同时将稀土在镁合金中的应用研究作为重要课题立项给予支持。
在耐热镁合金的研究方面，研究人员主要研究和开发的合金系列有Mg-Zn系，Mg-Al系和Mg-RE系合金。在这些合金中，WE43和WE54是开发较为成熟的耐热镁合金，这些合金的室温和高温强度高，可在300℃的高温下工作，并有较好的耐腐蚀性能。而QE型合金的疲劳抗力好，且具有较高的蠕变强度和优良高温抗拉性能。
2.2 耐热镁合金中的相
通过观察镁合金的金相组织，发现在镁合金中有较多的片状析出物出现，这些析出物的在α镁合金基体的棱面上形成惯习面，结构上呈紧密交错的三角形，这种结构可以有效阻碍镁合金基体在位错运动时的滑移行为。例如，在Mg-Th合金中，观察到亚稳态六角结构，并发现生成的稳态Mg23Th6 （fcc）相，就是在基体的棱面上形成的紧密交错结构。
2.3 稀土元素在合金中的作用
由于稀土元素在Mg合金中，极易形成稳定的相结构，因此很多学者在耐热镁合金的研究中，通过添加Y、Sc、Gd等稀土元素来改善镁合金的相结构，从而试图提高镁合金的耐腐蚀性能和高温性能。钪可以在镁合金中形成稳定的析出相，且形成的析出相在基体中的扩散速度慢，是一种极具潜力的镁合金添加元素。但是，Mg-Sc合金的蠕变性能不好，为了提高其蠕变性能，必须添加其它元素进行复合强化。常见的加入元素是Mn，Mn和Sc在镁合金中形成强化相Mn2Sc和Mn23Sc6，可以有效提高合金的抗蠕变性能。除了添加Mn元素，还可以在Mg-Sc合金中添加Gd、Y等元素，添加Gd、Y等价格较低的元素，一方面可以降低成本较高的Sc的添加量，从而降低Mg-Sc合金成本较高的问题，另一方面通过多种合金成份的优化设计，得到多元合金MgMnGdSc等，不仅成本适中，而且合金的抗蠕变性能比Mg-Sc合金好，耐腐蚀性能也得到改善。在这些多元合金中，生成的主要强化相有Mn23Sc6、GdMg5、Mn23Sc6、Mg24Y5和Mn12Y等，这些强化相都可以提高合金的稳定性和力学性能。
从稀土元素在镁合金中的作用来说，Gd元素的加入与Sc元素起到的作用较为相似，二者都能够提高镁合金的熔点，增加合金生成相的稳定性，并且提高合金高温性能和抗蠕变性能。研究表明，合金的多元化添加和成分优化设计，是提高耐热镁合金性能的有效途径之一。
从稀土元素的相结构来看，大多数稀土元素在镁合金中会发生沉淀，它们的沉淀序列取决于熔铸的温度，一般来说沉淀序列开始于170～200℃，在合金中生成密排六方结构的β相，这些β相在合金中大多形成超点阵结构。随着温度的升高，相结构发生转变，并在 200～250℃时形成体心正交结构的β相。温度继续升高到300℃以上时，在镁合金的晶内及晶界上生成平衡的面心立方β沉淀相，这些沉淀相在合金中呈不均匀分布状态。由于稀土元素在镁合金中生成热稳定性高的的颗粒相，并在合金中弥散分布，从而使镁合金表现出较好的耐热性能。
3 镁合金强化及其机理
3.1 强化方式
镁合金可以通过固溶强化、析出强化和弥散强化等方式提高镁合金基体高温蠕变性能。
在镁合金中加入Sc、Gd、Y、Mn、Ca等多种溶质元素，可以提高合金的均匀化温度和弹性模量，形成难熔的固溶体，从而减慢合金的扩散和自扩散过程，融入固溶体中的溶质原子还可以形成晶格畸变，增大位错攀移的阻力，从而提高合金的强度和蠕变性能。
在镁合金基体中加入稀土等溶质元素，这些稀土元素与镁基体共同作用，形成固溶度随温度下降而降低的析出相，这些析出相往往形成弥散分布的硬质点，充斥在合金基体中，对合金变形时的滑移位错造成阻碍，使得合金得到强化。
稀土元素在合金中往往形成弥散分布的稀土第二相，这些相熔点很高而在镁基体中溶解度较小，当这些弥散相在镁合金中分布均匀，可大大提高耐热镁合金的高温强度。
3.2 强化晶界的措施
稀土作为活性元素，在镁合金中会内吸附现象而聚集在晶界处，这些聚集的粒子可以提高镁合金的蠕变性能。但是，因为晶界处的粒子集聚，也容易因晶格缺陷较多使原子扩散迁移速度加快，导致晶界强度部分降低，从而导致合金强度提升并不十分明显。因此在镁合金强化晶界的过程中，应施加一定措施，保证晶界强化的效果。
（1）添加稀土等高熔点元素，与镁合金反应生成大量细小析出硬化相，聚集在合金晶界处。
（2）尽可能增大析出相的晶粒尺寸，从而使得原子扩散距离增大，提高晶界聚集的程度，但是带来的不利影响是镁合金晶粒尺寸的增加可能导致合金的力学性能的降低。
（3）对于耐热镁合金，Al、Zn、Ni、Cu、Ca、Ce、Th、Y、Sc、Mn、Gd等合金元素都能够在合金基体中形成强化相。当合金温度降低时，这些强化相因固溶度降低，而往往富集于晶粒表面和晶界处，并填充晶界处的晶格空位。这些富集物会阻碍镁合金的晶界滑移，改善晶界附近的组织形态，从而能改善镁合金的高温性能和抗蠕变性能。
4 结束语
我国是镁资源大国，但由于原镁生产工艺落后，镁合金开发水平低下，镁制品技术含量低，原镁出口价位低、经济效益差，这极大地影响了我国镁工业的健康发展。要彻底改变我国镁工业面临的不利局面，就必须充分提高原镁的深加工水平，提高镁制品的科技含量，加强科技创新，鼓励原始创新和集成创新，开发出系列具有国际先进水平的新型高性能镁合金和先进的镁合金制备和成型新技术，为国民经济发展注入强劲的科技创新动力。
参考文献
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作者简介：孔凡校（1981-），男，汉族，河北邢台人，讲师，硕士。
