早在 2 0世纪 30年代 ,人们就已开始了对稀土耐热镁合金的研究。 1937年Ｈａｕｇｈｔｏｎ和Ｐｒｙｔｈｅｒｃｈ首先报道了一种新型高温抗拉Ｍｇ Ｃｅ合金 ,194 9年发现稀土镁合金耐热性能按Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ序列提高(Ｌｅｏｎｔｉｓ) ,1979年又发现添加钇对镁合金产生有利影响 (Ｄｒｉｔｓ) 〔1〕。以后的研究表明 ,钇是提高镁合金力学性能的优良添加剂 ,它可以使合金的枝晶组织细化 ,合金断口纤维组织比率和合金塑性提高。因此 ,在稀土镁合金的开发过程中 ,钇备受人们关注〔2〕。镁合金的高温强度与室温强度不同 ,除温度因素和力学因素外 ,还要考虑时间和介质因素的影响。大部分稀土元素与镁的原子尺寸接近 (见图 1) ,以稀土为主要合金元素的铸造镁合金 ,在室温和高温下固溶强化和沉淀硬化效果好 ,具有较高的高温强度和优良的蠕变性能 ,适合于生产在 2 0 0～ 30 0℃下长期使用的零件。目前世界各国含稀土铸造镁合金牌号已占镁合金牌号总数的 5 0 %以上。稀土镁合金中稀土金属的含量一般在 2 5 %～ 3% ,根据稀土金属加入方式的不同 ,可分为Ｍｇ ＲＥ Ｚｎ Ｚｒ合金、Ｍｇ Ｎｄ Ｚｎ Ｚｒ合金、Ｍｇ Ｙ Ｚｎ Ｚｒ和Ｍｇ ＲＥ Ａｌ合金等。稀土元素提高镁合金耐热性的机理是使晶界和相界扩散渗透性减小 ,使相界的凝聚作用减慢 ,且第二相在整个持续时间内始终是位错运动的有效障碍 ;稀土元素可减少金属表面氧化物缺陷集中 ,以及改变其结晶晶格的参数 ,从而使合金具有优良的高温抗氧化性能〔1,3～ 5〕。图 1 Ｍｇ与稀土元素原子半径比较 (上下水平线表示与Ｍｇ原子半径差± 1 5 %范围 )Ｆｉｇ 1 ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｔｏｍｉｃｒａｄｉｕｓｏｆＭｇａｎｄｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓ1 各国现状1 1 前苏联及俄罗斯的情况〔3 ,4〕前苏联及其它一些国家为了寻找用于航空、火箭的新型合金 ,对镁 稀土合金进行了系统的研究。发现含 10 %钇的镁合金可以在 2 6 0℃下使用 (镁 钇合金已用于直升飞机尾翼零件及组合件中 )。含 9%钇、1%Ｚｎ的镁合金在具有高耐热性的同时具有高的抗腐蚀稳定性。研究表明 ,可以用钇代替目前发现提高镁合金耐热性能最有效的合金元素钍 ,其耐热水平可达到 370℃ ,同时避免了钍的放射性。钇也是镁 锂合金的优良添加剂。钕在镁中的溶解度较其它稀土元素大 ,且在镁基体中的扩散速度较小 ,据此 ,前苏联研制出含钕镁合金ΜЛ10 ,它在高温下软化过程慢 ,耐热性能较高 ,苏制米格 2 3飞机的轮毂、发动机的附件机匣和前支承壳体等 2 0种零件 ,全部采用ΜЛ10合金。前苏联在Ｍｇ Ｙ Ｎｄ Ｚｎ Ｚｒ强热合金方面也做了大量工作。目前在俄罗斯的航空、航天及军事工业中已经广泛使用含钇的变形镁合金ＢΜЛ10和含钇、钕的ＢΜЛ14铸造镁合金。这些合金的应用可保证降低结构重量的2 5 %～ 5 0 % (与铝合金结构比较 )。1 2 欧美的情况2 0世纪 70年代 ,欧美的汽车工业开始研究和开发压铸耐热镁合金。ＡＳ4 1是第一个获得批准的该类耐热合金。研究显示 ,降低铝含量可进一步改善合金蠕变性能 ,但这种合金更难铸造 ,为防止生成降低流动性和伸长率的粗大Ｍｇ2 Ｓｉ相 ,生产ＡＳ4 1需要相当快的凝固速率 ,一般采用高压铸造方法实现。加入少量钙可使砂型铸造和重力铸造的ＡＳ4 1组织变质 ,并细化Ｍｇ2 Ｓｉ相 ,研究显示在ＡＳ4 1中加 0 1%的Ｃａ可以改善合金的极限抗拉强度及伸长率。ＡＳ型镁合金曾用于ＶＷ“甲壳虫” (“ｂｅｅｔｌｅ”)汽车零部件等。此后北美进一步开发了用于该领域的ＡＥ4 2合金 ,ＡＥ4 2迅速凝固可得到良好的力学性能 ,已完成了用此合金制作汽车零件的许多试验。ＡＥ4 2× 1镁合金抗蠕变强度比ＡＳ2 1稍高 ,抗拉强度类似ＡＳ4 1,耐盐水腐蚀能力与ＡＺ91Ｄ相近 ,仅铸造性能较ＡＳ4 1Ａ稍差〔1〕。在航空、航天领域耐热镁合金的研究中 ,曾开发出含锌及含银的镁 钍合金 ,但钍的低放射性限制了Ｍｇ Ｔｈ基合金的应用并且排除了未来应用的可能性。稀土元素作为战略物资 ,在提高镁合金耐热性能方面一直受到极大重视 ,ＥＫ系列是最早应用的耐热铸造镁合金。银能明显改善镁 稀土合金的时效硬化效应 ,据此开发出了ＱＥ2 2、ＱＨ2 1、ＥＱ2 1合金 ,ＱＥ型合金相对具有良好的疲劳抗力 ,蠕变强度可与ＥＺ33相媲美 ,并且具有接近于含钍镁合金的优良高温抗拉性能和抗蠕变能力。ＥＱ2 1合金直到 2 5 0℃仍具有高强度 ,含银富钕稀土的ＱＥ2 2Ａ合金长期以来广泛用于飞机、导弹的部件的生产 ,如美洲虎攻击机的座舱盖骨架 ,超黄蜂直升机的前起落架外筒和轮毂等〔1,5〕。 在Ｍｇ Ｚｎ基合金中 ,加入稀土元素可改善Ｍｇ Ｚｎ合金的铸造性能和蠕变抗力〔6〕,但降低抗拉性能。采取折中方案 ,开发了ＺＥ4 1及ＥＺ33合金 ,ＺＥ4 1强度高 ,应用温度可达 2 0 0℃ ,而ＥＺ33合金具有更高的蠕变抗力 ,可用到 2 5 0℃。Ｚｎ是提高镁合金强度的元素 ,但加入过量的Ｚｎ会对耐热镁合金的腐蚀性能产生不利影响。早在 2 0世纪 80年代 ,含钇镁合金的研究已经受到重视 ,英国在排除用银、钍后 ,对镁 钇 钕基合金进行了更深入的研究 ,至 2 0世纪 90年代 ,已开发出一系列高温下具有高强度及高蠕变性能的含钕及钇的ＷＥ型合金。最早研制出了ＷＥ5 4合金 ,其中钇是以75 %Ｙ + 2 5 %其它重稀土金属混合物的形式加入。ＷＥ5 4合金有类似普通铸造铝合金的优良耐蚀性能。在室温及高温下 ,ＷＥ5 4的抗拉性能及蠕变性能均良好 ,且可与铸造铝合金相媲美。ＷＥ5 4合金的强度超过其它稀土镁合金、高温强度甚至比高温铝合金ＲＲ35 0还好。 1989年ＭＥＬ在巴黎航空博览会上推出了一种含钇、钕量较低的ＷＥ4 3合金 ,该合金在高温下强度略有下降 ,但具有满足使用要求的延展性和优良的耐腐蚀性能 ,已经用于赛车及航空业如ＭｃＤｏｎｎｅｌｌＭＤ5 0 0直升飞机变速器壳体〔7〕。稀土在合金中的沉淀序列开始于 170～ 2 0 0℃ ,生成六方 β″相 ,该相为超点阵结构 ,在 2 0 0～ 2 5 0℃形成体心正交的β′相 ,在 30 0℃以上 ,在晶内及晶界上生成不均匀分布的平衡的面心立方β沉淀相。正是由于存在弥散分布的、热稳定的颗粒相 ,使镁合金表现出较好的耐热性能。 2 0世纪 90年代末期 ,德国研究人员试制出了系列Ｍｇ Ｓｃ Ｍｎ新型耐热合金 ,尚未进行推广。试验结果显示 :在低应力条件下 ,新型合金比ＷＥ4 3具有更好的抗蠕变性能〔8〕。ＡＺ91、ＡＥ4 2和ＷＥ4 3的极限抗拉强度见图 2 ,欧美主要稀土镁合金的化学成分见表 1。图 2 三种典型镁合金极限抗拉强度比较Ｆｉｇ 2 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｍｏｎｇｕｌｔｉｍａｔｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓ表 1 欧美主要稀土镁合金的化学成分〔1,9〕Ｔａｂｌｅ 1 Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｍａｉｎｒａｒｅｅａｒｔｈ ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓｉｎＥｕｒｏｐｅａｎｄＡｍｅｒｉｃａ ( % )合金ＲＥＡｌＹＡｇＺｎＭｎＺｒＣｕＮｉＯｔｈｅｒｓＭｇＥＫ30Ａ 2 5～ 4 4 0 2～ 0 4 余ＥＫ31Ａ 3 5～ 4 0 0 4～ 1 0 余ＥＺ33 2 5～ 4 0 2 0～ 3 1 0 5～ 1 0 0 1 0ｍａｘ 0 0 1ｍａｘ 0 30ｍａｘ余ＺＥ41Ａ 0 75～ 1 75 3 5～ 5 0 0 1 5ｍａｘ 0 4～ 1 0 0 1 0ｍａｘ 0 0 1ｍａｘ 0 30ｍａｘ余ＥＱ2 1 1 75～ 2 5 1 3～ 1 7 0 4～ 1 0 0 0 5～ 0 1 0 0 0 1ｍａｘ 0 30ｍａｘ余ＱＥ2 2 2 0～ 3 0 2 0～ 3 0 0 4～ 1 0 余ＷＥ43 2 4～ 3 4 3 75～ 4 2 5 0 2ｍａｘ 0 1 5ｍａｘ 0 4～ 1 0 0 0 3ｍａｘ 0 0 0 5ｍａｘ 余ＷＥ54 2 0～ 4 0 4 75～ 5 5 0 2ｍａｘ 0 1 5ｍａｘ 0 4～ 1 0 0 0 3ｍａｘ 0 0 0 5ｍａｘ 余ＡＥ41 1 0 4 0 余ＡＥ42 2 0 4 0 0 6 余1 3 日本的情况基于资源紧缺问题和可持续发展目标 ,日本一向重视新材料的开发研制和拓展材料的应用领域 ,开发出了一系列与欧美最新研究成果同步的新型耐热镁合金 ,如ＭＣ8(ＥＺ33Ａ )、ＭＣ9(ＱＥ2 2Ａ )、ＭＣ10(ＺＥ4 1Ａ)和ＭＤ3Ａ (ＡＳ4 1Ａ)等〔10〕,并于 1994年提出了一种Ｍｇ Ａｌ Ｃａ Ｍｎ合金发展思路 (ＰａｔｅｎｔｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＨＥ16 2 5 790 / 1994 ) ,开发出了ＭｇＡｌＣａ33合金 ,因为其Ｃａ/Ａｌ比值大于 0 8,使合金中Ｍｇ17Ａｌ12弥散相被热稳定的Ｍｇ2 Ｃａ基沉淀物大量取代 ,具有良好的压铸性能及良好的高温力学性能 ,该合金蠕变抗力优于ＡＥ4 2。2 0世纪 90年代后期 ,日本研究人员在新型耐
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