1.4　稀土元素在鎂及鎂鋰合金中的作用

稀土元素（RE）是指元素周期表中原子序數(shù)從57～71的金屬元素，習慣上也將Sc和Y納入RE的行列。根據(jù)稀土的性能特點可將其分成兩類：輕稀土（Ce系）和重稀土（Y系）。由于RE具有獨特的核外電子排布，在冶金、材料領域中有其獨特的作用。稀土元素具有凈化合金液，改善合金的鑄造性能、細化和變質組織、提高合金的力學性能、增強合金耐蝕性以及提高合金蠕變性能的作用^［68］。

1.4.1　稀土元素在鎂合金中的作用

稀土作為主合金元素或微合金化元素被廣泛應用在鋼鐵及有色金屬合金（銅、鋁、鋅、鎂等合金）中，其中稀土對有色金屬材料的有益影響在鎂合金中是最明顯的。早在20世紀30年代，人們就發(fā)現(xiàn)了稀土對鎂的強化作用^［69］，不僅開發(fā)出Mg-RE系合金^［70］，而且在Mg-Al、Mg-Al-Zn、Mg-Zn、Mg-Li等合金系中也有廣泛的應用^{［71～75］}。

稀土元素在鎂合金中的主要作用有如下幾方面^［76］。

（1）細化晶粒

適當含量的稀土，可以細化鎂及鎂合金晶粒。首先是細化鑄造組織晶粒，其次是在熱加工過程和退火過程中阻礙再結晶和晶粒長大。稀土元素對鎂及鎂合金晶粒細化的機理目前還存在著爭論，有人認為是非均勻形核的作用^［77］，有人認為凝固過程中溶質再分配造成固液界面前沿成分過冷度增大是稀土元素細化鎂及鎂合金的主要機理^{［78，79］}，還有人認為是稀土元素在鎂合金中生成的稀土化合物阻礙了初晶和共晶的生長，細化了合金鑄態(tài)組織^［80］。

（2）凈化熔體

稀土元素與氧的親和力大于鎂與氧的親和力，因此可與熔體中的MgO和其它氧化物反應生成稀土氧化物而沉淀，從而去除氧化夾雜；與熔體中的氫和水汽反應，生成稀土氫化物或稀土氧化物，達到去氫的目的；同時還可以增加熔體的流動性和減少鑄件的縮松，提高致密性。

（3）提高合金室溫強度

當使用溫度低于等強溫度時，細晶粒組織有較高的強度，因此適量的稀土元素對鎂合金具有細晶強化的作用。多數(shù)稀土元素在鎂中有較大的固溶度，并隨溫度降低固溶度有明顯變化，因此稀土元素除固溶強化外，還是鎂合金有效的時效強化元素，一些稀土化合物還有彌散強化作用。

（4）提高合金力學性能的熱穩(wěn)定性

稀土元素是提高鎂合金耐熱性能的最有效的合金化元素，能顯著地提高鎂合金高溫強度和高溫蠕變抗力，其原因是多方面的：稀土在鎂中擴散系數(shù)小，可減慢再結晶過程和提高再結晶溫度；增加時效效果和脫溶相的熱穩(wěn)定性；高熔點的稀土化合物釘扎晶界，阻礙位錯運動，提高高溫蠕變抗力。

（5）提高合金耐蝕性能

由于凈化了熔體，減小雜質鐵等的有害影響，從而提高耐蝕性能。

1.4.2　稀土元素在鎂鋰合金中的作用

稀土元素加入鎂鋰合金，通過固溶強化和形成細小彌散的金屬間化合物，提高其綜合性能，并可通過提高析出相的熱穩(wěn)定性，改善合金在較高溫度下的力學性能^［81］，加RE還可以提高鎂鋰合金的再結晶溫度^［82］，并促使鎂鋰合金的時效強化^［83］。稀土元素在Mg-Li合金中的固溶度均較小，能與Mg形成多種金屬間化合物。日本學者丹野敦、大內清明等人的研究表明在Mg-8Li合金中加入1%～2%（質量分數(shù)）的La、Ce、Nd，經(jīng)過一定的均勻化處理后，組織中的相細化，并產(chǎn)生Mg₁₇La₂、Mg₁₇Ce₂、（或Mg₁₂Ce）及Mg₃Nd等稀土鎂化合物。由于這些化合物具有較高的硬度，因此，合金的硬度與強度得到提高^［84］。

在Mg-Li-Al-Zn合金中加入混合稀土（La、Pr、Ce），形成了Al₂Zn₂La金屬間化合物，這種化合物呈桿狀分布在合金中，使Mg₁₇Al₁₂層片變細，減小了晶粒尺寸，提高了合金的高溫強度^［85］。Liu Bin等在Mg-16Li-5Al中加入混合稀土（La、Pr、Ce），結果表明，混合稀土（La、Pr、Ce）細化了基體組織^［86］。

Y是鎂鋰合金的優(yōu)良添加劑，加入少量的Y就可以顯著提高合金的強度。例如：日本三井礦業(yè)公司與大坂大學聯(lián)合開發(fā)了一種新的鎂鋰合金，添加了高于3%的Y。該合金的密度為1.5g/cm³，拉伸強度大于230MPa，室溫伸長率大于40%，并且其吸收震動性能優(yōu)于其它所有鎂合金^［87］。Tanno等對Mg-8Li中添加稀土元素之后的性質進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，稀土元素與鎂形成金屬間化合物，在壓下量低于90%軋制時，與Mg-Li二元合金一樣表現(xiàn)出加工硬化，但壓下量高于90%時，出現(xiàn)軟化，他指出這可能與出現(xiàn)回復有關^［81］。與其它強化元素不同，添加稀土元素不會產(chǎn)生過時效，這表明稀土元素能夠提高鎂鋰合金的熱穩(wěn)定性，并能通過時效處理獲得高溫下的強度，但塑性仍有降低。Xu等研究了Y對Mg-Li-Zn合金的強化作用，Y在Mg-Li-Zn合金中產(chǎn)生了二十面體結構的新相Mg₃Zn₆Y，該相引起了合金中其它相的微觀結構變化，導致Mg-Li-Zn合金拉伸性能顯著提高^［88］。

綜上所述，RE元素是鎂鋰合金的有益添加元素，但RE對鎂鋰二元及三元合金組織、性能的影響規(guī)律及機理有待于進一步研究。