镁课堂:(二十六)神奇的稀土镁合金

2015年04月28日 11:26 6451次浏览 来源:   分类: 镁应用   作者:

导读: 稀土元素是元素周期表ⅢB族中的钪、钆、镧系等17元素的总称,常用R或RE表示。通常把镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu称为轻稀土或铈组稀土,钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tu、镱Tb、镥Lu、钇Y称为重稀土或钇稀土。稀土金属的化学活性很强,当和氧作用时生成稳定性很高的R2O3型氧化物,中国稀土资源极其丰富,储量大、品种全、有价值元素含量高、分布广,按氧化物计算的工业储量为国外总储量的2.2倍。

      稀土元素是元素周期表ⅢB族中的钪、钆、镧系等17元素的总称,常用R或RE表示。通常把镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu称为轻稀土或铈组稀土,钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tu、镱Tb、镥Lu、钇Y称为重稀土或钇稀土。稀土金属的化学活性很强,当和氧作用时生成稳定性很高的R2O3型氧化物,中国稀土资源极其丰富,储量大、品种全、有价值元素含量高、分布广,按氧化物计算的工业储量为国外总储量的2.2倍。
  稀土元素的性质极其相近,在镁中的固溶度较大,且固溶度随温度的降低而急剧减小,在200℃时的仅为最大固溶度的1/10。除钪以外的其他稀土元素与镁在507℃~617℃内均存在共晶反应。富镁端共晶化合物类型随稀土素原子序数变化而改变。稀土在镁中的固溶度随其原子半径的增大而降低。Mg-RE合金晶界上网状分布的低熔点共晶化合物可以抑制显微疏松的形成,因而合金有很好的流动性,良好的可铸造性能,铸态合金的组织由等轴α-Mg固溶体晶粒和晶界网状化合物组成。时效时从α-Mg中析出细小沉淀相,有相当大的强化作用,同时晶界上的网状化合物阻碍晶界移动,因而Mg-RE合金有高的抗蠕变强度,成为一群有特色的高温镁合金。
  Mg-RE合金有较大的时效强化作用,因为时效时从α-Mg过饱和固溶体中沉淀与α-Mg固溶体共格的GP区与β''相及β'相,以Mg-Nd合金为例,其沉淀序列为:
  α-Mg→GP区→β''→β'(Mg3Nd)→β(Mg12Nd)
  GP区呈盘状,与基体完全共格,过时效生成的平衡相为β(Mg12Nd),属体心四方晶系,与基体不共格。
  Mg-RE合金通常还含有锌和锆,Zr可以显著细化合金铸造组织,Zn可以进一步提高合金的抗蠕变强度。镁-稀二元合金晶粒粗大,力学性能低,不能作为结构材料使用。加锆后,组织细化,才使铸造状态合金的力学性能上升到工程结构可以接受的水平,因此,Mg-RE合金均含有一定量的锆,如EK30A合金(Mg-Th3%RE-0.7%Zr)是首个以稀土为主要合金元素的高温铸造镁合金,在200℃以下有高的抗拉强度和抗蠕变强度,可以满足航空发动机一些零部件的工作环境要求。向Mg-RE-Zr系合金再加锌的四元合金具有更高的力学性能,EZ33A合金是这类合金的典型代表,有取代EK30A合金之势。在Mg-RE-Zr合金中加银可获得抗拉性能大为改善的新型合金EQ21A。
  Mg-RE-Zn-Zr合金的显微组织由α-Mg固溶体和晶界上的块状化合物组成,锌的加入不但增加了晶界上化合物的数量,而且增强它们的连续性。在EZ23A合金中,稀土化合物为Mg9RE。
  近些年来,耐热Mg-RE合金成了热门的研究课题。钇在镁中的固溶度高达12.5%,且随着温度的下降而减小,可形成有时效硬化能力的一系列合金。已开发出Mg-Y-Zn-Zr系合金、Mg-Y-Nd-Zn-Zr系合金、Mg-Y-Nd-Zr系合金。Mg-Y-Zn-Zr系合金有良好的综合力学性能和可铸造性能,长期工作温度可达300℃,若再添加Nd,可进一步改善其热强性能。还有可与铝基铸造合金抗蚀性当的抗腐蚀性能。由于钇价高,且不易与镁形成合金,可以用含75%钇、钆、铒等重稀土元素的混合稀土取代钇。
  在Mg-Y-Nd系合金中,Mg-6Y-2Nd合金具有最高的抗拉强度和相当高的伸长率,WE54是该系合金获得商业应用的头一个,有优秀的高温性能,已用于制造航空器与赛气汽缸,不过此合金在150℃长期工作时,会有β''相的二次析出,使合金的塑性逐渐下降,以致不能再用。研究表明,适当减少钇含量,提升Nd含量,合金强度虽略有下降,但可以保持良好的塑性,WE43就是这样的一个合金。

责任编辑:陈岩

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