在所有開發的鎂合金家族中，鎂稀土( Mg-RE )系列合金在機械性能方面顯示出巨大的優勢，在各種工程領域具有潛在的應用價值。稀土元素在鎂合金中的合金化研究由來已久，最初主要集中在向Mg - Al合金中添加少量富Ce或La的混合稀土，以調節共晶組織的形態。其他Re，Y、Nd、Sc、Sm等也被發現在鎂合金中表現出類似的作用。最早商業化的RE含量較高的鎂合金有用于高壓鑄造的Mg - 4Al - 4RE ( AE44 )和用于砂型鑄造的Mg - 4Zn - 1RE ( ZE41 )等。然而，在這些合金中，RE仍被用作微量合金元素，這并不屬于我們這里討論的Mg - RE合金家族的范圍。

此后，以WE43和WE54為代表的Mg - Y - RE系合金成為第一批具有與中等強度鋁合金相當的室溫強度、良好的抗蠕變性能( 250℃)和阻燃性能的Mg - RE系合金。基于此，研究人員發現添加10 wt . %以上的Gd可以在Mg中產生有效的時效硬化效應，這使得Mg - Gd基耐熱Mg - RE合金在近二十年來得到了快速的發展。Mg-Gd-Y、Mg-Gd-Nd 、Mg-Gd-Zn等合金具有比其他鎂合金更高的強度和抗蠕變性能。與傳統的Mg合金(典型的Mg - Al系)相比，高性能的Mg - RE合金在許多方面都是獨特的，包括但不限于更高的強度和塑性，更高的彈性模量，更高的蠕變抗力，更高的阻燃能力和更高的疲勞壽命等。這種較好的綜合力學性能使Mg - RE系合金得到了實際應用，如汽車工業中的發動機缸體和車輪，武器和軍工工業中的導彈發動機和炮彈，以及航空航天工業中更為廣泛的飛機座椅和變速箱殼體等。

上海交通大學吳國華教授團隊發現晶粒細化并不局限于常規添加化學成分，還需要考慮( i )化學孕育和基體Mg - RE合金成分的整體過程；( ii )物理場對晶粒細化的影響；( iii )晶粒細化劑與熔體凈化之間的干擾；( iv )鑄造工藝及其加工參數。因此，本文綜述了在Mg - RE合金的整個鑄造過程中，每個過程可能對晶粒細化產生的影響。本綜述為研究人員和工程師提供了關于鑄造Mg - RE合金晶粒細化的最新進展的系統了解。本工作還將為未來晶粒細化工藝的設計、材料制備工藝路線及其工藝參數的選擇提供思路，并為鑄態Mg - RE構件的粗化機制提供應對策略，以滿足高質量和高性能的需求。相關研究成果以題“Recent advances on grain refinement of magnesium rare-earth alloys during the whole casting processes: A review”發表在Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723002268

無論是在力學性能方面，還是在制造工藝方面，鎂合金構件相對良好的性能總是由細小的顯微組織所保證。晶粒細化在鑄造鎂合金構件制造中的優勢可能包括以下幾類：

( 1 )具有較高的強度和延性。高強度的原因主要是由于Mg及其合金通過晶界強化效應的Hall - Petch系數相對于Al基合金較高。鑄態鎂合金的晶粒尺寸一直處于微米至毫米級別，晶粒細化是同時提高合金強度和塑性的唯一途徑。Mg - RE合金相對于傳統Mg - Al系合金較高的應變硬化行為，使得當合金的延展性增強到足以釋放合金的強度時，可以表現出更高的強度。更高的延展性也為可能經歷二次制造過程的鑄坯的變形能力提供了保證，并提供了在受到沖擊和碰撞時吸收更高能量的能力。

( 2 )高密度適用于高剛度的應用場合。由于RE元素的合金化作用，Mg - RE合金的彈性模量始終高于Mg - Al合金。Mg - RE中的晶粒細化可以導致粗大的樹枝晶向等軸晶轉變，從而減少枝晶間的收縮。因此，鑄件被致密化，合金的模量將接近其理論值。

( 3 )在制造復雜鑄件部件時，減少了熱裂傾向，增強了流動性。穩定性對于制造大尺寸、薄壁和復雜結構的鑄件至關重要。更細小的晶粒來源于凝固過程中大量的異質形核。因此，細小的晶粒通常會導致合金熔體中的成分和溫度幾乎均勻分布。這有利于合金熔體的流動性，因為在合金熔體在型腔內流動的過程中，初生Mg相的形核和長大同時發生。

( 4 )減少了大尺寸構件鑄造中的宏觀和微觀偏析。大型鑄件，如復雜的砂型鑄造零件和用于變形加工的半連續鑄造圓或棒坯，要求化學成分和晶粒組織從外表面到中心區域分布相對均勻。此外，在大型和復雜結構鑄件的制造中，由于重力差異，RE元素和Mg之間的密度差異使其更容易偏析。因此，有效且均勻的晶粒細化是獲得高質量鑄坯的關鍵。

( 5 )較小的晶粒尺寸會縮短鑄態構件熱處理所需的時間，降低熱處理所需的溫度。Mg - RE合金是一種析出強化型合金，通常需要在鑄造過程中進行熱處理。更細小的晶粒可以有效地減少富溶質相從晶界擴散到晶粒內部所需的距離。

綜合上述Mg - RE合金晶粒細化的幾個優點，

圖1 .各工藝對Mg - RE合金整個鑄造過程中晶粒細化的影響。

圖2 . Mg - RE合金晶粒尺寸對RE元素Q值的依賴性：( a )實驗結果；( b )擬合曲線

圖3 .不同Mg含量Zr的結合能；( b )不同Zr含量Mg的結合能；( c ) Mg - Zr合金異質形核的原子機理示意圖；( d ) Zr顆粒表面在凝固過程中形成Zr - Mg過渡層的示意圖

圖4 .軋制( a , b)和FSP ( c、d)前后Zr在Mg - Zr中間合金中的分布

圖5 . UHFP - TIGR前后Mg - Zr中間合金中Zr的分布及相應的晶粒細化效果

圖6 . α - Mg與原位生成Zr核的位向關系：( a ) - ( c ) TEM圖像；( d ) ~ ( f )分別為α - Zr和α - Mg的FFT譜

圖7 .不同粒徑Zr Cl4對鑄造Mg - Gd - Y合金的晶粒細化效果：( a )、( b )晶粒細化效果，( c ) ~ ( e ) Zr顆粒在合金中的分布，( e ) Zr顆粒的尺寸分布

圖8 .通過邊-邊匹配模型計算的Al2Y顆粒與α - Mg基體之間可能存在的取向關系( a )以及原子間距失配與Al2RE顆粒和α - Mg界面能的關系( b )

圖9。Al ( a , b)和Zr ( c、d)細化Mg - 10Y合金晶粒的鑄態組織( b、d)經550℃固溶處理48 h后，在鑄態Mg - 10Y - Al合金中觀察到了Al - Y相

圖10 . Al₂Y顆粒的顯微結構及其與α - Mg基體的位向關系：( a ) SEM圖像( b ) Al₂Y的橫截面( c ) Al₂Y / Mg界面的TEM圖像與選區電子衍射( d ) Al₂Y / Mg界面靠近F₁面的HREM圖像

圖11 . Mg - Al - Sm合金的晶粒細化機制示意圖：( a )未添加UT和晶粒細化劑的Mg - 5Sm二元合金；( b ) Mg - 5Sm二元熔體的UT；( c ) UT對Mg - 5Sm合金凝固過程的影響；( d )含Al₂Sm顆粒合金的超聲檢測；( e )含UT和Al₂Sm顆粒合金的凝固過程

晶粒細化是鑄造Mg - RE合金構件的關鍵問題之一，這已成為廣泛的共識。控制鑄造Mg - RE合金的最終晶粒尺寸除了廣泛關注的化學孕育途徑外，還需要考慮實際生產過程中的其他問題。綜述了化學孕育、外加物理場、晶粒細化劑與熔體凈化之間的相互干擾以及鑄造或制備工藝本身對Mg - RE合金晶粒細化效果的影響。上述類別中仍有較大的空間需要改進，此問題才能迎刃而解，現將挑戰與展望總結如下：

( 1 )通過化學孕育Mg - Zr中間合金細化晶粒仍然是Mg - RE合金鑄件工程應用中簡便有效的途徑。如果含Zr鹽的副產品被認為是鎂合金熔體中的污染物，可以通過普通的凈化方法有效地減少，那么含Zr鹽在未來的經濟和實際應用中都具有巨大的潛力。雖然原位Al2RE顆粒對Mg - RE合金的晶粒細化是有效的，但其實際應用可能需要滿足嚴格的鑄造條件，并且基體Mg - RE合金的合金成分需要重新設計，以體現這種晶粒細化技術的最大價值。

( 2 )物理場在Mg - RE合金鑄件晶粒細化中的應用是否值得，需要考慮到具體的實際情況。與鎂合金熔體直接接觸的物理場，如超聲振動，可能適用于合金熔體尺寸大、數量多的鑄造構件，也可能更適用于固液共存溫度范圍大的合金。非接觸式物理場，如電磁攪拌等，可應用于結構復雜、薄壁、長流道、固液界面距離澆注中心較遠的鑄件部件。加壓凝固只適用于擠壓鑄造工藝，更適用于對鑄件密度、強度、形狀和尺寸精度要求較高，且投影面積(投影方向平行于所施加的壓力)較小的鑄件。

( 3 )為了保證最終產品的質量，熔體凈化在鑄造過程中至關重要。Mg - Zr中間合金長期以來被認為是Mg - RE合金鑄件中應用最廣泛的晶粒細化劑，其晶粒細化效率受凈化工藝的影響較大。凈化熔劑與鎂合金熔體的相互作用以及攪拌、高溫等環境條件都會影響RE元素的燒損以及形核Zr顆粒的存活率。需要新的不與RE元素和Zr顆粒發生反應的提純方法，或者采用新的途徑引入在高溫下可能不會衰減的Zr顆粒，這可能是未來開發Mg - RE合金中Zr細化晶粒效率的可能解決方案。

( 4 )在制備Mg - RE合金時，應首先考慮不同鑄造或加工工藝條件下的晶粒細化問題，以及合金的物理或化學性質和工藝參數的具體控制。幾種材料制備技術在改善Mg - RE合金的晶粒尺寸方面顯示出巨大的潛力。合金成分的設計應考慮非平衡凝固條件，如擠壓鑄造中的加壓凝固和3D打印中的超快速凝固等。通過這樣做，可以最大限度地發揮晶粒細化效果和改善機械性能的潛力。