鎂是最輕的金屬結構材料，其比重只有1.74g/ cm 3 ，僅相當于鋁的 2/3，鐵的 1/4。鎂合金具有 比強度和比剛度高、導熱導電性好、阻尼減震、 電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優點，在 汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領域具 有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，被譽 為“21 世紀綠色工程材料”。我國是鎂資源大國， 探明儲量占世界的 40% 以上；我國還是鎂生產 大國，80% 以上鎂產品進入國際市場，在國內應 用較少?，F在僅僅變成消耗能源和資源為發達國 家提供鎂的初級產品。

    稀土元素由于其電子結構相似，因此它們的 化學性質也相似。我國擁有豐富的稀土礦產資源， 從輕稀土到重稀土品種齊全，品味好。傳統鎂合 金具有強度低、變形困難、耐腐蝕性能差、使用 溫度低等弱點。鎂合金中添加適量稀土元素，可 以起到變質作用，達到細化組織的功能；同時稀 土元素還可以與鎂合金中的有害雜質如鐵、銅、 鎳等作用形成中間化合物而達到除雜的作用；稀 土元素很活潑，可以與氫、氧等作用達到除氣、 除渣、凈化晶界的作用，改善鎂合金的脆性和耐 腐蝕性能，稀土與鎂形成強化相起到固溶強化和沉淀強化的作用，大大提高鎂合金的強度和韌性； 稀土還有改善鎂合金的流動性，提高鑄造性能； 提高摩擦磨損性能等。

    如前所述，我國鎂資源和稀土資源豐富，這 兩大資源優勢為高性能稀土鎂合金的開發與應用 提供了契機。稀土元素按原子量可以分為輕稀土、 中稀土和重稀土三大類，本文將從三類稀土元素 與鎂的不同作用機制詳細講述稀土鎂合金的研究 和應用進展。

    一、輕稀土鎂合金

    輕稀土元素主要為 La 和 Ce，兩者在 Mg 中 的最大固溶度分別為 0.4%（wt.）和 0.74%（wt.）。 由于固溶度小，產生的固溶和時效強化效果有限， 故通常不作為主合金元素添加。作為微量元素， 輕稀土元素在鎂合金中有以下主要作用：

    （1）阻燃：鎂合金在熔煉澆注過程中容易 發生劇烈的氧化燃燒。實踐證明，熔劑保護法 和 SF 6 、SO 2 、CO 2 、Ar 等氣體保護法是有效的 阻燃方法，但在應用中會污染環境，并使合金 性能降低，設備投資增大。在鎂合金中添加稀 土能改善其抗氧化性，當 ZM5 合金中不含稀土 時，起燃溫度約為 654℃，隨著合金中混合稀土（La，Ce）加入量為 0.12% 時，起燃溫度達到約 820℃。與未加稀土的 ZM5 鎂合金相比，起燃溫 度提高約 166℃。阻燃機理為添加 La 和 Ce 元素 能在合金表面形成較為致密的稀土氧化物，從而 形成保護膜，提高抗氧化性。

    （2）凈化：稀土元素 La、Ce 等在熔煉過程 中能夠與晶界處的雜質元素反應，使晶界凈化改 善合金的塑性，同時使 Mg-Al 系列合金中的 β 相產生網狀結構，有效抑制腐蝕過程，提高耐蝕 性。AZ91 合金添加 1.0% 的 La 元素后，其耐蝕 性和塑性均得到大幅度提高。

    （3）改善變形合金織構：織構的存在對變 形鎂合金的力學行為影響明顯，因此，鎂合金的 織構優化設計對改善和提高變形鎂合金的塑性成 形性具有非常重要的意義。在純鎂中添加 0.2%Ce 后擠壓合金表現出明顯的織構弱化，織構強度 最大值從 2.7 下降到 1.5。而添加 0.2%Ce 以后的 Mg-Ce 二元合金的伸長率大幅提升。稀土元素改 善變形合金織構的機理在于：Ce 元素固溶到鎂 基體中改變 Mg-Ce 原子之間的化學鍵，對 Ce 原 子周圍的 Mg-Mg 原子間化學鍵產生影響，進而 影響鎂合金在變形過程中的變形方式，造成非基 面織構的產生并弱化基面織構，提高合金的力學 性能。

    二、中稀土鎂合金

    中稀土元素主要為 Y、Nd、Sm 等， 以下分別介紹三種合金體系的研究與應 用情況。

    Mg-Y 系合金 : 稀土元素 Y 是在鎂 合金中強化作用最好、應用最廣泛、 也是研究最深入的元素之一。Y 在鎂固 溶體中具有較高固溶度，平衡固溶度 為 3.75%（ 原 子 分 數）/12.47%（ 質 量 分數）（566℃），且其固溶度隨溫度 的降低而呈指數關系顯著減小，這意味著 Mg-Y 合金系是典型的可以通過完全熱處理沉 淀強化的鎂合金系。在合金中加入其它合金元素 （如：Nd、Zn 和 Zr 等）會明顯降低 Y 在鎂中的 固溶度，但卻能大幅提高合金中析出相的體積分 數，從而進一步提高合金的機械性能。

    英國開發研制出一系列高溫下具有高強度 及高蠕變性能的含 Nd、Y 的 WE 型鎂合金，最 先研制出了 WE54，WE43 合金，使用溫度達到 250℃，具有較好的澆鑄、沉淀析出強化效果和 高溫抗蠕變性能。WE 系合金在經過固溶及時 效過程中，合金中依次析出：α 固溶體→ β″ （D019）→ β′（Mg 12 Nd Y,b.c.c）→ β（Mg 14 Nd 2 Y,f. c.c）相，這是合金具有優良的室溫及高溫性能的 主要原因。目前 WE 系列合金是應用相對成熟、 研究相對深入的商用鎂合金，被廣泛應用于航空 航天領域中。

    在 Mg-Y 合金中添加 Zn、Cu、Ni 等元素會 形成 LPSO 結構。LPSO 結構是近年來學術界的 一 個 研 究 熱 點， 具 有 6H、10H、14H、18R 及 24R 這 5 種不同類型的 LPSO, 其對合金增強、增 韌具有重要的作用。

    Kawamura Y 等采用快速凝固粉末冶金工藝 制備了 Mg-Y-Zn 合金。室溫力學性能最高到達： σ b =628MPa，σ 0.2 =610MPa，A=5.0%，這是目前 制備的一種強度最高并具有較高耐腐蝕能力的新型鎂合金。具有如此優異的力學性能被認為除與 細晶強化、固溶強化、Mg-Y的彌散強化有關之外， 合金中的 LPSO 結構起到了很重要的作用。

    在 Mg-Y 二元合金系中加入 Ca 和 Zr 合金元 素開發的 Mg-Y-Ca-Zr 阻燃鎂合金，隨著 Y 含量 增加，合金的晶粒尺寸減小，抗拉強度、屈服強 度增加，而伸長率變化很小。加入 Ca 和 Zr 能夠 細化合金的晶粒組織、提高室溫強度，同時不影 響合金的時效過程。

    Mg-Nd 系合金：Nd 元素在 Mg 中的極限固 溶度為 3.6%（560℃），含有少量 Nd 的鎂合金 就已具備了良好的析出強化效果。因此，認為 Mg-Nd 系二元合金為典型的析出強化合金。在 Mg-Nd 二元中同時添加微量的 Zn 和 Zr 元素，能 夠進一步促進合金的時效強化效應，細化鑄態合 金晶粒，提高合金性能。

    上海交通大學通過調整 Nd/Zn 比開發出了 低成本的高強度鑄造鎂合金 Mg-Nd- Zn-Zr（JDM1）， 其 鑄 造 性 能 與 AZ91 合金相當，其綜合力學性能比 AZ91 大幅度提高。采用高溫連續固溶和時 效熱處理后形成的棱面分布的亞穩 析出相（和盧相），使 NK30K 的室溫力學性 能 改 善 至：σ b =300~305MPa，σ 0.2 =140MPa， A=11%。此外，該合金還具有中等的高溫強度（在 ≤ 250℃，σ b ≥ 240MPa）和優良的抗蠕變性能 （200℃ ,100MPa 下的穩態蠕變速率均在 10 數量 級）以及優異的耐蝕性能（~0.11mg/cm 2 · d）。

    由于 JDM1 合金采用的是比較廉價的稀土元 素而且其加入量也較低，因此合金成本得到很好 控制，不超過 AZ91D 的 120%。目前，該合金已 應用于國防、汽車輪轂、發動機支架等零部件。

    Mg-Sm 系合金：Sm 元素在 Mg 中的極限固 溶度為 5.8%，與 Nd 元素類似，Mg-Sm 合金也具 有較好固溶和時效強化效應，與 Nd 元素所不同的是 Mg-Sm 系合金相對于 Mg-Nd 系合金具有更 好的鑄造性能（流動性、熱烈性等），可用于壓鑄。

    近年來，隨著航空航天、汽車和 3C 產品的 散熱材料不僅追求低密度、高強度，而且要求 具有良好的導熱性能。雖然鎂合金的密度低， 比強度高，但是，室溫下純鎂的導熱系數為 156W/（m.K），其他常用鎂合金的熱導率很低， 如商業牌號的 AZ91D 鎂合金在 20℃下的熱導率 僅有 52W/（m.K），這極大地限制了鎂合金在 這些領域的應用?？偨Y散熱產品對鎂合金性能 的基本要求主要有三點：一是合金具有良好的 壓鑄性能，因大部分產品都需要通過壓鑄方法 生產；二是合金具有一定的強度，滿足螺栓裝 配的要求，通常屈服強度在 100MPa 左右；三是 合金具有高的導熱系數，通常在 100W/（m.K） 以上，這些需求為 Mg-Sm 系合金的應用找了突 破。（見表 1）

    上海交大通過在 Mg-Sm 二元合金體系中添加 Zr 元素同時優化 Sm 元素的含量，開發了一款高導 熱壓鑄 Mg-Sm-Zr 合金（JDDRM1），除具有優 良的壓鑄性能外，合金屈服強度達到了 110MPa 以上，導熱系數達到了 120 W/（m.K）以上，即 將應用于通訊基站的散熱單元。

    三、重稀土鎂合金

    重稀土元素主要為 Gd、Dy、Er、Ho 等元素， 重稀土元素在 Mg 中的固溶度都非常大，一般都 在 20%（wt.）以上，具有極高的時效強化效應， 重稀土鎂合金通常作為高強、耐熱鎂合金，廣泛 應用于航空航天、軍事等領域。重稀土鎂合金中 兩類代表合金為 Mg-Gd 和 Mg-Dy 系合金。

    Mg-Gd 系合金：Gd 能提高鎂合金的熔點和 抗蠕變性能。早在 1974 年研究者就發現，經過 擠壓、調質和時效處理的 Mg-Gd 合金在高溫及 低溫下都具有較高的抗拉強度。Mordike 等研究 了簡單 Mg-Gd 二元合金與 WE43、QE22 等合金 的性能比較，結果發現 Mg-Gd 合金的抗蠕變性 能大大高于其他合金，并且隨著 Gd 含量的增加， 抗蠕變性能增加。研究表明，在 Mg-Gd 二元合 金體系中添加中稀土元素如 Y、Nd 等，能進一 步促進合金的時效析出動力學，提高強度。上海 交大通過調整 Gd/Y，綜合運用固溶強化、時效 強化和彤變強化等手段開發了常規方法加工獲得 的高強度耐高溫 Mg-Gd-Y-Zr 系變形鎂合金。

    Mg-Gd-Y-Zr 合金的高溫穩定性非常好，在 200~250℃之間具有良好的力學性能。GW123K 和 GW102K 合金的瞬間高溫拉伸強度高于 2618 耐熱鋁合金和 WE54 商業耐熱鎂合金。此外，該 系列合金還具有很好的抗蠕變性能及抗腐蝕性 能。目前，采用該合金已開發了導彈尾翼、高速 列車用大承載型材、直升機機匣等部件。

    Mg-Dy 系合金：早在 1984 年俄國的 Drits 等就發現 Mg-Dy 合金在時效過程中有 Mg2Dys 相 的形成，后來又有一些關于該類合金的研究，并 提出 Mg-Dy 合金具有一定的時效硬化效果。

    同樣成分的 Mg-Dy 二元合金，其綜合性能 略低于 Mg-Gd 合金，而且由于加入了重稀土，其成本增加、密度提高及韌性降低。在 Mg-Dy 合金中加入其它合金元素，如：Nd、Y 等能進一 步提高鎂合金的性能，因此，Mg-Dy-Nd 和 Mg- Dy-Y 合金中部分的 Dy 被 Nd 及 Y 替代。關于此 類合金時效相圖及拉伸性能已得到一定研究，結 果發現，加入適量的 Nd 或 Y 可以增加合金的時 效硬化性能及高溫拉伸性能，但由于合金晶粒比 較粗大，導致合金的韌性降低。值得指出的是， 盡管 Y 在鎂中的固溶度比 Nd 的高，但研究發現， 在合金中加入同樣的 Nd 和 Y 時，Mg-Dy-Nd 合 金的性能要優于 Mg-Dy-Y 合金。由于 Zr 的細化 晶粒作用，且可以進一步提高合金強度，所以在 研究中常在合金中加入一定量的 Zr，形成 Mg- Dy-Y-Zr 和 Mg-Dy-Nd-Zr 合金，從而使合金的 綜合性能得到一定程度的提高。

    四、展望

    隨著全球范圍內的能源、資源緊缺以及各國 對環境保護的日益重視，航空航天、信息產業和 國防軍工等國民經濟支柱產業的快速發展，對高 比強度、高比剛度等高性能結構材料的需求與日 俱增，高性能輕量化鎂合金必然會得到越來越廣 泛的關注、研究和使用。所以，我們需要整合高 校、科研院所的基礎優勢與企業的產品研發優勢， 以市場需求為牽引，盡快開發高效、實用、經濟 的鎂合金加工新技術，占據國際鎂資源技術一體 化優勢，推動我國鎂產業的蓬勃發展。