一般鎂合金存在耐熱性能差的缺點,當溫度升高時,鎂合金的強度和抗蠕變性能都要明顯下降,因而它難以作為高溫長時間使用部件。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、強度都明顯提高。通常認為添加稀土元素改善鎂合金力學性能的機制主要是細晶強化、固溶強化和晶界強化

細晶強化

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化合金晶粒,使晶粒尺寸減小,晶粒尺寸減小時,表面張力增加,從而增大了變形抗力,因此強度、硬度等力學性能也就相應得以提高。但需要注意的是過細的晶粒組織有可能會降低材料的蠕變性能。

固溶強化

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,它們在高溫下比較穩(wěn)定,不易析出長大,而且這些化合物還都有很高的熱硬性,就是所謂的固溶強化。利用Y在Mg中的高固溶度(12.5%,質(zhì)量分數(shù))和Mg-Y合金的時效硬化能力,目前已成功開發(fā)了如Mg-Y-Nd-Zr系合金,在300℃時仍具有優(yōu)良的抗蠕變性能[20]。

3、晶界強化

β相的熱穩(wěn)定性一直被認為是影響鎂合金耐熱性能的關鍵。Mg-Al合金中強化相β-Mg17Al12相的熔點僅為437℃,當溫度超過120～130℃時,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)動作用,導致合金的持久強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稀土對鎂合金的微觀組織、鑄態(tài)力學性能和蠕變性能的影響,結果表明,稀土的加入能使鎂合金的室溫和高溫硬度、抗拉強度和屈服強度均有一定的提高,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構,強化陰極相控制,影響合金腐蝕的電化學過程,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構

由于RE元素活性較高,加入鎂合金中的RE容易同氧發(fā)生反應生成稀土氧化物,在鎂合金表面形成一層Mg、Al、RE的復合氧化物層。而稀土氧化物的化學活性低,對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,起到凈化表面的作用,使鎂合金表面活性點減少或消失,從而使得合金的耐腐蝕性能提高。