传统镁合金强度较低、耐蚀性较差,尤其是两者难以兼得,严重阻碍镁合金的广泛应用。因此,同时提高镁合金强度和耐蚀性是目前推广镁合金应用急需解决的挑战性难点。前期研究表明,合理合金化设计是提高镁合金性能的关键之一。稀土元素由于具有独特的核外电子结构,作为重要合金化元素,已广泛应用于钢铁及有色合金。在镁合金领域,尤其是高强镁合金或耐蚀镁合金,学者已逐渐认识和掌握了稀土元素的积极作用。​

近日,哈尔滨工程大学谢金书博士、张景怀教授、巫瑞智教授等人系统总结了稀土元素在镁合金中的行为及其规律,包括稀土元素半径、电负性及最大固溶度的演变规律,各种稀土元素在镁中固溶度随温度的变化规律等(图1);稀土元素在强化和耐蚀方面产生的主要作用和效果;并介绍了高强耐蚀稀土镁合金的最新研究进展,阐明了目前的研究现状,总结出了一些共性规律。根据目前对稀土镁合金强度和耐蚀性能的研究,提出了通过合理添加稀土元素协同提高镁合金强度和耐蚀性能的新思路。

目前,关于同时提高稀土镁合金强度和耐蚀性的研究,主要集中在Mg-RE、Mg-RE-Zn和Mg-Al-RE系列合金。

综合分析发现,合金强度和耐蚀性不能良好匹配的核心问题是微观组织不均匀性(即成分和结构不同)导致的电位差异。因此,获得具有良好强化机制的均匀微观组织是实现镁合金高强兼耐蚀的关键。目前的研究大都从细化晶粒尺寸和调控各种增强相类型、尺寸和分布方面获得均匀的微观结构。从调控稀土镁合金中增强相的角度来看:
(1)一方面,纳米尺度析出相,如β’和γ’’相,具有极其显著的强化效果。另一方面,纳米级尺寸和均匀分散的析出相可以在一定程度上实现微观结构的均匀性,有助于形成较小的阴阳极面积比,从而降低局部微电偶腐蚀。
(2)含有准晶、W相和长周期堆垛有序(LPSO)结构的稀土镁合金因其较高的强度而备受关注。就腐蚀而言,除了增强相的电位差异外(图4),其尺寸和分布也是影响腐蚀行为的重要因素。在晶界周围形成连续分布的增强相(如18R-LPSO相),起到腐蚀屏障效应,可延缓腐蚀扩展。然而,强电偶腐蚀始终存在,并不能从根本上提高耐蚀性能。同时,晶内分散均匀的细小14H-LPSO相可以提高电化学均匀性,减少微电偶腐蚀,有利于形成均匀的氧化膜和提升膜修复能力。
(3)新开发的高密度基面堆垛层错(SFs)增强Mg-RE-Zn合金,通过巧妙的成分和工艺设计,构筑了全新高强耐蚀镁合金“均匀”的微观组织(图5),实现镁合金强度与耐蚀的同时提升。
 基于调研结果,本文也指出了该领域存在的一些问题和挑战。1)基于工程应用的变形稀土镁合金的强度和耐蚀性协同提升研究迄今报道较少,今后有必要对这一领域进行系统深入研究。2)实验条件通常不统一,很难进行统一的性能评价,特别是在腐蚀方面。3)所开发镁合金的应用背景一般不具体,相关研究不成熟,离实际应用还很远。4)强度与耐蚀性协同改善的相关规律和机理尚不很清晰。从含稀土镁合金中增强相角度来看,在明确其对强度和耐蚀性的影响规律和机理的基础上,有必要对其形貌和分布进行细致调控,以获得更好的强度和耐蚀综合性能。5)考虑到稀土资源的战略价值,稀土镁合金的开发应考虑如何在较低稀土含量(即不浪费宝贵资源)的基础上实现高强度和高耐蚀。(来自网易镁途)
稀土金属材料的5大高新创新技术

1. 铝,镁,钛,铜合金清洁生产与深加工技术

降低能耗和污染的清洁生产技术;熔体净化、高效熔炼、先进铸锻、半固态成形、连续近终成形、连续表面防腐/着色处理等高效生产技术和配套技术;高纯、高性能、环保的稀土合金材料与合金材料制备及加工技术;宽幅薄板、精密箔带、高强高导稀土合金、环保型合金制造技术,高性能预拉伸板带及焊丝、大型复杂截面、中空超薄壁型材、大型锻件、高精度管(棒、丝)材等高端产品的精深加工技术。

2. 稀土镁合金,铌合金|钽合金,钕金属等稀有金属的精深产品制备技术

对难熔稀有高纯金属,高比容粉末提纯处理技术;镁、钽、铌材料的烧结以及制备,宽幅板带箔材的成形技术;大型钨、钼异型件等静压成形加工技术;锆、铪高效洁净分离及铌合金包壳管精密铸轧加工技术;超细晶/超粗晶高性能硬质合金制品制备技术;降低稀土提纯过程污染和能耗的技术;稀土永磁体制造技术;高技术领域用稀土材料制备及应用技术等。
3. 纳米石墨烯及粉末冶金新材料制备与应用技术

纳米材料与器件制备技术;超细、高纯、低氧含量、无/少夹杂金属粉末制备技术;粉末预处理、烧结预扩散、预合金化、球形化、包覆复合化先进制备技术;国产化配套关键零部件快速烧结致密化技术;高性能粉末钢热等静压/喷射沉积近终成形技术;新型铝及钛合金零件制备技术;高精密度金属注射成形(MIM)技术,新型高温合金、钛合金、微/共MIM及凝胶注模成形技术;增材制造金属新工艺、新材料制备及应用技术;高通量、高过滤精度、长寿命金属多孔材料制备及应用技术等。

4. 金属及金属基复合新材料制备技术

低密度、高强度、高弹性模量、抗疲劳新型金属及金属基复合材料制备技术;耐磨、抗蚀、改善导电和导热等性能的金属基复合材料制备及表面改性技术等。
性能不可控的原位复合材料制备技术;常规颗粒和纤维增强复合材料制备技术;电弧/火焰喷涂、喷焊、镀锌、磷化、电镀等常规表面处理技术除外。

5.精品钢材制备技术

提高资源能源利用效率、促进减排的可循环钢铁流程技术;生态型非高炉炼铁技术,二次含铁资源和贫、难选铁矿的高效提取冶金技术,氧化物冶金技术,第三代TMCP技术,高合金钢铸轧一体化技术,薄带连铸产业化通用成套技术;高温合金制备技术;高附加值、特殊性能钢材、合金及制品的先进制备加工技术等。

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