一般鎂合金存在耐熱性能差的缺點(diǎn),當(dāng)溫度升高時(shí),鎂合金的強(qiáng)度和抗蠕變性能都要明顯下降,因而它難以作為高溫長時(shí)間使用部件。加入稀土元素后可以顯著改善鎂合金高溫蠕變性能,并能使鎂合金的室溫和高溫的硬度、強(qiáng)度都明顯提高。通常認(rèn)為添加稀土元素改善鎂合金力學(xué)性能的機(jī)制主要是細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化

細(xì)晶強(qiáng)化

表面張力的存在使晶粒界面處產(chǎn)生阻礙晶體變形的難變形區(qū),表面張力越大,難變形區(qū)越大,則使其產(chǎn)生滑移所需加的力(變形抗力)越大。稀土加入鎂合金能細(xì)化合金晶粒,使晶粒尺寸減小,晶粒尺寸減小時(shí),表面張力增加,從而增大了變形抗力,因此強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能也就相應(yīng)得以提高。但需要注意的是過細(xì)的晶粒組織有可能會(huì)降低材料的蠕變性能。

固溶強(qiáng)化

稀土加入鎂合金后,部分固溶在α-Mg內(nèi)形成固溶體,另一部分形成鎂2稀土化合物,它們?cè)诟邷叵卤容^穩(wěn)定,不易析出長大,而且這些化合物還都有很高的熱硬性,就是所謂的固溶強(qiáng)化。利用Y在Mg中的高固溶度(12.5%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))和Mg-Y合金的時(shí)效硬化能力,目前已成功開發(fā)了如Mg-Y-Nd-Zr系合金,在300℃時(shí)仍具有優(yōu)良的抗蠕變性能[20]。

3、晶界強(qiáng)化

β相的熱穩(wěn)定性一直被認(rèn)為是影響鎂合金耐熱性能的關(guān)鍵。Mg-Al合金中強(qiáng)化相β-Mg17Al12相的熔點(diǎn)僅為437℃,當(dāng)溫度超過120～130℃時(shí),晶界上的Mg17Al12相開始軟化,不能起到釘扎晶界和抑制高溫晶界的轉(zhuǎn)動(dòng)作用,導(dǎo)致合金的持久強(qiáng)度和蠕變性能急劇降低[21]。通過向鎂合金中添加稀土,可以在晶界處形成富Al-RE相,該相的熔點(diǎn)很高,熱穩(wěn)定性很好,它們的存在能阻止高溫下鎂合金晶粒的長大和晶界的滑移,起到晶界強(qiáng)化的作用,從而明顯提高鎂合金高溫性能和抗蠕變能力。但是針狀富鋁稀土相對(duì)基體有明顯的割裂作用,使合金的常溫伸長率和沖擊韌度值降低。

黃曉鋒等研究了Y和富La稀土對(duì)鎂合金的微觀組織、鑄態(tài)力學(xué)性能和蠕變性能的影響,結(jié)果表明,稀土的加入能使鎂合金的室溫和高溫硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有一定的提高,加入1%Y的鎂合金的第二階段蠕變率僅為原鎂合金的1/4。

鎂合金在環(huán)境介質(zhì)中表面都會(huì)形成一層很薄的氧化膜,這種多孔狀的氧化膜不能有效阻止環(huán)境介質(zhì),特別是氧化性和腐蝕性介質(zhì)對(duì)鎂合金基體的腐蝕,影響到鎂合金的使用性能。在鎂合金中添加稀土元素,可有效改變合金腐蝕層結(jié)構(gòu),強(qiáng)化陰極相控制,影響合金腐蝕的電化學(xué)過程,從而提高鎂合金的耐蝕性能。

稀土改變了鎂合金腐蝕層的結(jié)構(gòu)

由于RE元素活性較高,加入鎂合金中的RE容易同氧發(fā)生反應(yīng)生成稀土氧化物,在鎂合金表面形成一層Mg、Al、RE的復(fù)合氧化物層。而稀土氧化物的化學(xué)活性低,對(duì)NaCl腐蝕介質(zhì)不敏感,在含Cl-的溶液中很難與水形成氫氧化物,因而能夠維持復(fù)合氧化膜的完整性,起到鈍化膜的作用。此外,稀土可以與鎂合金表面層中的雜質(zhì)元素反應(yīng),起到凈化表面的作用,使鎂合金表面活性點(diǎn)減少或消失,從而使得合金的耐腐蝕性能提高。