镁是最轻的金属结构材料，其比重只有1.74g/ cm 3 ，仅相当于铝的 2/3，铁的 1/4。镁合金具有 比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减震、 电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点，在 汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具 有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉 为“21 世纪绿色工程材料”。我国是镁资源大国， 探明储量占世界的 40% 以上；我国还是镁生产 大国，80% 以上镁产品进入国际市场，在国内应 用较少。现在仅仅变成消耗能源和资源为发达国 家提供镁的初级产品。

    稀土元素由于其电子结构相似，因此它们的 化学性质也相似。我国拥有丰富的稀土矿产资源， 从轻稀土到重稀土品种齐全，品味好。传统镁合 金具有强度低、变形困难、耐腐蚀性能差、使用 温度低等弱点。镁合金中添加适量稀土元素，可 以起到变质作用，达到细化组织的功能；同时稀 土元素还可以与镁合金中的有害杂质如铁、铜、 镍等作用形成中间化合物而达到除杂的作用；稀 土元素很活泼，可以与氢、氧等作用达到除气、 除渣、净化晶界的作用，改善镁合金的脆性和耐 腐蚀性能，稀土与镁形成强化相起到固溶强化和沉淀强化的作用，大大提高镁合金的强度和韧性； 稀土还有改善镁合金的流动性，提高铸造性能； 提高摩擦磨损性能等。

    如前所述，我国镁资源和稀土资源丰富，这 两大资源优势为高性能稀土镁合金的开发与应用 提供了契机。稀土元素按原子量可以分为轻稀土、 中稀土和重稀土三大类，本文将从三类稀土元素 与镁的不同作用机制详细讲述稀土镁合金的研究 和应用进展。

    一、轻稀土镁合金

    轻稀土元素主要为 La 和 Ce，两者在 Mg 中 的最大固溶度分别为 0.4%（wt.）和 0.74%（wt.）。 由于固溶度小，产生的固溶和时效强化效果有限， 故通常不作为主合金元素添加。作为微量元素， 轻稀土元素在镁合金中有以下主要作用：

    （1）阻燃：镁合金在熔炼浇注过程中容易 发生剧烈的氧化燃烧。实践证明，熔剂保护法 和 SF 6 、SO 2 、CO 2 、Ar 等气体保护法是有效的 阻燃方法，但在应用中会污染环境，并使合金 性能降低，设备投资增大。在镁合金中添加稀 土能改善其抗氧化性，当 ZM5 合金中不含稀土 时，起燃温度约为 654℃，随着合金中混合稀土（La，Ce）加入量为 0.12% 时，起燃温度达到约 820℃。与未加稀土的 ZM5 镁合金相比，起燃温 度提高约 166℃。阻燃机理为添加 La 和 Ce 元素 能在合金表面形成较为致密的稀土氧化物，从而 形成保护膜，提高抗氧化性。

    （2）净化：稀土元素 La、Ce 等在熔炼过程 中能够与晶界处的杂质元素反应，使晶界净化改 善合金的塑性，同时使 Mg-Al 系列合金中的 β 相产生网状结构，有效抑制腐蚀过程，提高耐蚀 性。AZ91 合金添加 1.0% 的 La 元素后，其耐蚀 性和塑性均得到大幅度提高。

    （3）改善变形合金织构：织构的存在对变 形镁合金的力学行为影响明显，因此，镁合金的 织构优化设计对改善和提高变形镁合金的塑性成 形性具有非常重要的意义。在纯镁中添加 0.2%Ce 后挤压合金表现出明显的织构弱化，织构强度 最大值从 2.7 下降到 1.5。而添加 0.2%Ce 以后的 Mg-Ce 二元合金的伸长率大幅提升。稀土元素改 善变形合金织构的机理在于：Ce 元素固溶到镁 基体中改变 Mg-Ce 原子之间的化学键，对 Ce 原 子周围的 Mg-Mg 原子间化学键产生影响，进而 影响镁合金在变形过程中的变形方式，造成非基 面织构的产生并弱化基面织构，提高合金的力学 性能。

    二、中稀土镁合金

    中稀土元素主要为 Y、Nd、Sm 等， 以下分别介绍三种合金体系的研究与应 用情况。

    Mg-Y 系合金 : 稀土元素 Y 是在镁 合金中强化作用最好、应用最广泛、 也是研究最深入的元素之一。Y 在镁固 溶体中具有较高固溶度，平衡固溶度 为 3.75%（ 原 子 分 数）/12.47%（ 质 量 分数）（566℃），且其固溶度随温度 的降低而呈指数关系显著减小，这意味着 Mg-Y 合金系是典型的可以通过完全热处理沉 淀强化的镁合金系。在合金中加入其它合金元素 （如：Nd、Zn 和 Zr 等）会明显降低 Y 在镁中的 固溶度，但却能大幅提高合金中析出相的体积分 数，从而进一步提高合金的机械性能。

    英国开发研制出一系列高温下具有高强度 及高蠕变性能的含 Nd、Y 的 WE 型镁合金，最 先研制出了 WE54，WE43 合金，使用温度达到 250℃，具有较好的浇铸、沉淀析出强化效果和 高温抗蠕变性能。WE 系合金在经过固溶及时 效过程中，合金中依次析出：α 固溶体→ β″ （D019）→ β′（Mg 12 Nd Y,b.c.c）→ β（Mg 14 Nd 2 Y,f. c.c）相，这是合金具有优良的室温及高温性能的 主要原因。目前 WE 系列合金是应用相对成熟、 研究相对深入的商用镁合金，被广泛应用于航空 航天领域中。

    在 Mg-Y 合金中添加 Zn、Cu、Ni 等元素会 形成 LPSO 结构。LPSO 结构是近年来学术界的 一 个 研 究 热 点， 具 有 6H、10H、14H、18R 及 24R 这 5 种不同类型的 LPSO, 其对合金增强、增 韧具有重要的作用。

    Kawamura Y 等采用快速凝固粉末冶金工艺 制备了 Mg-Y-Zn 合金。室温力学性能最高到达： σ b =628MPa，σ 0.2 =610MPa，A=5.0%，这是目前 制备的一种强度最高并具有较高耐腐蚀能力的新型镁合金。具有如此优异的力学性能被认为除与 细晶强化、固溶强化、Mg-Y的弥散强化有关之外， 合金中的 LPSO 结构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 素开发的 Mg-Y-Ca-Zr 阻燃镁合金，随着 Y 含量 增加，合金的晶粒尺寸减小，抗拉强度、屈服强 度增加，而伸长率变化很小。加入 Ca 和 Zr 能够 细化合金的晶粒组织、提高室温强度，同时不影 响合金的时效过程。

    Mg-Nd 系合金：Nd 元素在 Mg 中的极限固 溶度为 3.6%（560℃），含有少量 Nd 的镁合金 就已具备了良好的析出强化效果。因此，认为 Mg-Nd 系二元合金为典型的析出强化合金。在 Mg-Nd 二元中同时添加微量的 Zn 和 Zr 元素，能 够进一步促进合金的时效强化效应，细化铸态合 金晶粒，提高合金性能。

    上海交通大学通过调整 Nd/Zn 比开发出了 低成本的高强度铸造镁合金 Mg-Nd- Zn-Zr（JDM1）， 其 铸 造 性 能 与 AZ91 合金相当，其综合力学性能比 AZ91 大幅度提高。采用高温连续固溶和时 效热处理后形成的棱面分布的亚稳 析出相（和卢相），使 NK30K 的室温力学性 能 改 善 至：σ b =300~305MPa，σ 0.2 =140MPa， A=11%。此外，该合金还具有中等的高温强度（在 ≤ 250℃，σ b ≥ 240MPa）和优良的抗蠕变性能 （200℃ ,100MPa 下的稳态蠕变速率均在 10 数量 级）以及优异的耐蚀性能（~0.11mg/cm 2 · d）。

    由于 JDM1 合金采用的是比较廉价的稀土元 素而且其加入量也较低，因此合金成本得到很好 控制，不超过 AZ91D 的 120%。目前，该合金已 应用于国防、汽车轮毂、发动机支架等零部件。

    Mg-Sm 系合金：Sm 元素在 Mg 中的极限固 溶度为 5.8%，与 Nd 元素类似，Mg-Sm 合金也具 有较好固溶和时效强化效应，与 Nd 元素所不同的是 Mg-Sm 系合金相对于 Mg-Nd 系合金具有更 好的铸造性能（流动性、热烈性等），可用于压铸。

    近年来，随着航空航天、汽车和 3C 产品的 散热材料不仅追求低密度、高强度，而且要求 具有良好的导热性能。虽然镁合金的密度低， 比强度高，但是，室温下纯镁的导热系数为 156W/（m.K），其他常用镁合金的热导率很低， 如商业牌号的 AZ91D 镁合金在 20℃下的热导率 仅有 52W/（m.K），这极大地限制了镁合金在 这些领域的应用。总结散热产品对镁合金性能 的基本要求主要有三点：一是合金具有良好的 压铸性能，因大部分产品都需要通过压铸方法 生产；二是合金具有一定的强度，满足螺栓装 配的要求，通常屈服强度在 100MPa 左右；三是 合金具有高的导热系数，通常在 100W/（m.K） 以上，这些需求为 Mg-Sm 系合金的应用找了突 破。（见表 1）

    上海交大通过在 Mg-Sm 二元合金体系中添加 Zr 元素同时优化 Sm 元素的含量，开发了一款高导 热压铸 Mg-Sm-Zr 合金（JDDRM1），除具有优 良的压铸性能外，合金屈服强度达到了 110MPa 以上，导热系数达到了 120 W/（m.K）以上，即 将应用于通讯基站的散热单元。

    三、重稀土镁合金

    重稀土元素主要为 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，具有极高的时效强化效应， 重稀土镁合金通常作为高强、耐热镁合金，广泛 应用于航空航天、军事等领域。重稀土镁合金中 两类代表合金为 Mg-Gd 和 Mg-Dy 系合金。

    Mg-Gd 系合金：Gd 能提高镁合金的熔点和 抗蠕变性能。早在 1974 年研究者就发现，经过 挤压、调质和时效处理的 Mg-Gd 合金在高温及 低温下都具有较高的抗拉强度。Mordike 等研究 了简单 Mg-Gd 二元合金与 WE43、QE22 等合金 的性能比较，结果发现 Mg-Gd 合金的抗蠕变性 能大大高于其他合金，并且随着 Gd 含量的增加， 抗蠕变性能增加。研究表明，在 Mg-Gd 二元合 金体系中添加中稀土元素如 Y、Nd 等，能进一 步促进合金的时效析出动力学，提高强度。上海 交大通过调整 Gd/Y，综合运用固溶强化、时效 强化和彤变强化等手段开发了常规方法加工获得 的高强度耐高温 Mg-Gd-Y-Zr 系变形镁合金。

    Mg-Gd-Y-Zr 合金的高温稳定性非常好，在 200~250℃之间具有良好的力学性能。GW123K 和 GW102K 合金的瞬间高温拉伸强度高于 2618 耐热铝合金和 WE54 商业耐热镁合金。此外，该 系列合金还具有很好的抗蠕变性能及抗腐蚀性 能。目前，采用该合金已开发了导弹尾翼、高速 列车用大承载型材、直升机机匣等部件。

    Mg-Dy 系合金：早在 1984 年俄国的 Drits 等就发现 Mg-Dy 合金在时效过程中有 Mg2Dys 相 的形成，后来又有一些关于该类合金的研究，并 提出 Mg-Dy 合金具有一定的时效硬化效果。

    同样成分的 Mg-Dy 二元合金，其综合性能 略低于 Mg-Gd 合金，而且由于加入了重稀土，其成本增加、密度提高及韧性降低。在 Mg-Dy 合金中加入其它合金元素，如：Nd、Y 等能进一 步提高镁合金的性能，因此，Mg-Dy-Nd 和 Mg- Dy-Y 合金中部分的 Dy 被 Nd 及 Y 替代。关于此 类合金时效相图及拉伸性能已得到一定研究，结 果发现，加入适量的 Nd 或 Y 可以增加合金的时 效硬化性能及高温拉伸性能，但由于合金晶粒比 较粗大，导致合金的韧性降低。值得指出的是， 尽管 Y 在镁中的固溶度比 Nd 的高，但研究发现， 在合金中加入同样的 Nd 和 Y 时，Mg-Dy-Nd 合 金的性能要优于 Mg-Dy-Y 合金。由于 Zr 的细化 晶粒作用，且可以进一步提高合金强度，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，从而使合金的 综合性能得到一定程度的提高。

    四、展望

    随着全球范围内的能源、资源紧缺以及各国 对环境保护的日益重视，航空航天、信息产业和 国防军工等国民经济支柱产业的快速发展，对高 比强度、高比刚度等高性能结构材料的需求与日 俱增，高性能轻量化镁合金必然会得到越来越广 泛的关注、研究和使用。所以，我们需要整合高 校、科研院所的基础优势与企业的产品研发优势， 以市场需求为牵引，尽快开发高效、实用、经济 的镁合金加工新技术，占据国际镁资源技术一体 化优势，推动我国镁产业的蓬勃发展。