导读：为了进一步扩大镁（Mg）合金的应用，迫切需要开发高强度镁稀土（RE）合金。通过添加稀土元素可以大大提高镁合金的强度。本文综述了高性能镁稀土合金的最新进展，包括合金设计、强化机制、成形工艺和应用。该综述旨在为镁稀土合金的设计、技术和应用提供参考，有助于进一步发展具有优异性能的镁稀土合金。

成果展示

稀土元素是17种金属元素的总称，可根据元素性质、矿物特性、提取分离方法等进行分类。稀土元素通常根据元素性质分为轻稀土元素和重稀土元素。镁合金中添加稀土可以净化熔体，形成高熔点析出相和低熔点共晶相，产生更强的沉淀强化作用，改善高温性能和铸造性能。目前，已经开发了几种Mg-RE合金，例如Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Nd、Mg-Dy和Mg-Sm。镁稀土铸造合金的强度主要是通过固溶处理和时效处理相结合来提高的。将Mg-RE合金加热到仅存在单相的较高温度，然后快速冷却以获得α-Mg的过饱和固溶体，因为残余相可以充分溶解到固溶体中。最后，在较低温度下进行时效，以获得α-Mg基体中的亚稳态或稳定析出物。通过改变析出相的尺寸、密度、形状和分布，以及析出相与α-Mg基体之间的晶体取向关系，可以提高合金的强度。在高强度镁稀土合金的制备过程中，合金成分和工艺流程在很大程度上影响最终的微观结构和力学性能。

镁稀土合金的成形工艺

Mg-RE基合金的成形工艺主要分为液态成形、半固态成形和固态成形。液体成形主要包括重力铸造、低压砂型铸造、高压铸造等。镁稀土合金铸件通常采用钢型或砂型重力铸造（GS）成型。

GS是一种已经发展了6000年的传统铸件。GS可分为砂型铸造和金属型铸造。在砂型GS工艺过程中，应确定适当的抑制剂和合适的浇注系统，以减少熔融金属填充型腔时的湍流。该技术存在精度较低、散热较差的缺点。相比之下，金属模具具有良好的导热性，导致高冷却速率和细晶粒结构。金属模具可以重复使用，但由于脱模困难，通常用于成型形状不复杂的零件。然而，金属模具的透气性差可能会导致浇注不良、裂纹和气孔缺陷。因此，有必要设计合理的铸造系统来避免这些缺陷。为了减少铸件切削和表面加工过程中的额外能耗和材料成本，追求净成形或近净成形促进了精密液体成形技术的快速发展，例如低压砂型铸造（LPSC）和高压模具铸造（HPDC）。

LPSC技术利用气体压力将熔融的熔体压入模具中，熔体在气体压力的作用下凝固。由于平滑填充和顺序凝固特性，LPSC可以获得具有良好表面质量、良好尺寸精度和较少收缩微孔的零件。LPSC工艺参数，如充型时间、保压时间、模具温度和浇注温度，在很大程度上影响Mg-RE合金的凝固组织、热处理方法和力学性能。

HPDC在镁合金中的应用越来越普遍，特别是在汽车行业。HPDC可生产大尺寸、薄壁和复杂形状的零件。它在生产效率、生产成本和零件的完整连接性方面具有显着的优势。如图1所示，HPDC镁合金的凸台结构可以设计有各种增强结构，使得可以在铸孔中使用螺纹成型紧固件而无需钻孔。

图1 HPDC Mg 凸台结构 (a) 单面加固，(b) 网格加固

一般情况下，HPDC零件无法通过固溶和时效处理进一步强化，因为压铸过程中熔体会产生高速湍流，导致无序流动和大量夹带气体。截留的气体收缩和变形，留在表面或内部，导致压铸件中出现更多数量的微孔 。一旦经过热处理，裂纹可能源自拉伸变形过程中的微孔，并且零件表面会起泡，从而降低材料性能。采用高真空辅助高压压铸（HV-HPDC）技术，可大幅降低镁合金的微孔率，有效避免微孔的形成，并可通过时效处理改善性能，扩大了镁合金的应用范围。然而，HV-HPDC存在成本较高、生产率较低的缺点。此外，外部固化细胞（ESC）和结皮效应也难以避免。ESC会增加铸件不可测量的失效，结皮效应会导致RE偏析并恶化机械性能。

半固态成形是指利用半固态金属良好的流动性进行从固相到液相或从液相到固相两相转变的过程。半固态成形是一项新颖、先进的技术。与传统液态成形相比，半固态成形具有成形温度较低、模具寿命较长、生产条件改善、晶粒细化、气孔较少、显微组织较致密等优点。半固态熔体具有触变性和流变性，因此半固态成形包括触变成形和流变成形。图2是半固态成形示意图。

图2 半固态成形示意图

触变成型是通过传统的锻造（或铸造）技术对预热后的处于半固态温度范围的材料进行加工。在触变成型中，将合金块加热至具有球状微观结构的半固态后，通过冲头将其压入模具中。细小的球状颗粒可以在室温下“冻结”，通过晶界强化来提高机械性能。

为了降低触变成形中制备半固态金属的高成本，进一步提高铸件质量，开发了半固态浆料流变成形技术。流变成形的材料利用率与HPDC接近，高于等温冲压和超塑性锻造。流变成形可以制造复杂、大型零件，并降低成形设备的吨位和能耗。图3显示了流变挤压铸造（RSC）工艺的示意图。

图3 流变挤压铸造工艺示意图(a)挤压，(b)顶出，1-动模，2-半固态浆料，3-定模，4-顶出杆，5个样品

固态成形是指坯料或零件在外力作用下发生塑性变形而获得所需形状、尺寸和力学性能的制造技术。固体成型需要外力，成型的材料具有塑性。主要成形方法包括挤压、轧制、锻造、拉拔和冲压。铸造镁合金通常因某些显微组织缺陷而综合性能较差，铸造镁合金一般用于机械性能要求不高的零件（如转向控制臂等）。通过固态成形制造的镁稀土合金零件可以有效减少和消除铸造过程中的大部分缺陷，并通过减小晶粒尺寸来提高力学性能。挤压、轧制和锻造是三种常见的实体成形技术。

镁合金零件如管材、棒材、型材、带材等主要采用挤压工艺制造。挤压工艺可以细化晶粒，提高强度，并获得良好的表面质量。镁合金的挤压成形可分为温挤压和热挤压，挤压温度一般在300～450℃之间。在热挤压中，通过细化晶粒尺寸可以大大提高机械性能。此外，热挤压还可以改变织构并促进动态再结晶晶粒和未再结晶晶粒的生成。织构对Mg-RE合金的塑性有重要影响。挤压镁合金虽然具有优异的性能，但也存在挤压速度慢、变形抗力高、挤压后织构造成力学性能各向异性等缺点。

镁合金带材和板材一般采用轧制成型制造。轧制可以通过改变微观结构（例如细化晶粒尺寸）来提高镁合金的机械性能。轧制是生产高性能镁合金板材的重要工艺，短流程、高效率、低成本轧制技术的研究一直是研究热点。轧制工艺参数对于镁合金的性能至关重要。轧制过程中拉应力和压应力方向的交替变化可以产生更细的再结晶晶粒和更弱的基础织构。此外，在图4中，硬板累积辊压结合可以产生同质细晶结构和紧密的界面结合，同时减少由严重塑性变形引起的翘曲和边缘裂纹。然而，Mg-RE合金的滑动系统有限，在轧制过程中容易形成强的基底织构，导致塑性较低，更容易出现边缘裂纹。因此，开发低成本、高效的轧制成形技术来制造高性能镁合金带材和板材是近年来的研究热点。

图4 硬板累积辊压粘合示意图

锻造是一种常见的金属加工技术，镁合金锻造产品常用于重要的承重结构件。热锻可以改善Mg的hcp结构造成的加工能力差。温度、应变率、摩擦、预成型件形状和材料性能都对锻造过程产生重要影响。锻造温度越低，精度越高，但成形性越低。随着锻造温度的升高，边缘区域的力学性能受到很大影响，进而影响铸造性能。图5显示了温度和应变速率对再结晶晶粒体积分数和晶粒尺寸的影响。精密锻造是在传统锻造的基础上发展起来的，可以生产高精度、形状复杂的锻件，同时还提高了锻件的承载能力。与HPDC和半固态成形相比，精密锻造具有生产效率高、成品率高、成本低的优点。

图5 温度和应变速率对 (a) 体积分数和 (b) 再结晶晶粒尺寸的影响

相关研究成果以：“Recent advances of high strength Mg-RE alloys: Alloy development, forming and application”为题发表在journal of materials research and technology 2023;26:2919-2940，论文的第一作者为Yongfeng Li，通讯作者为Ang Zhang，Bin Jiang。论文链接：http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/。