稀土元素对镁合金晶粒细化的研究综述

[摘 要]根据稀土元素在镁合金中存在的形式及其作用，综述了稀土Ce、Nd、Y、Er及Sc在镁合金中的晶粒细化效果及其作用机理。一定量的Ce、Nd、Y、Er及Sc对镁合金晶粒均有细化作用，根据稀土固溶度的不同，其细化合金晶粒所加入的量也不同；镁合金晶粒开始粗化时所添加的稀土量是随着其在镁合金中的固溶度增加而增大的。

[关键词]镁合金；稀土；晶粒细化；固溶度

中图分类号：TQ462+.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0022-01

目前，国内外关于RE对镁合金晶粒的影响研究较多，特别是对AZ系列的研究；但是各种RE对不同系列镁合金晶粒的作用规律和机理尚未完全建立起来。因此有必要针对RE在镁合金晶粒细化方面的研究现状进行综述。

1 Ce对镁合金组织的影响

Ce属于轻稀土元素，在镁中的固溶度只有0.75%（wt%，下同），作为最常用的晶粒细化剂，不仅能明显提高镁合金的强度及高温稳定性能还能细化镁合金晶粒。

综合Ce对镁合金晶粒的作用可知：Ce在Mg中的固溶度很小，凝固时Ce原子几乎不溶于α-Mg基体，除形成Al4Ce化合物外，部分Ce易富集于固/液界面前沿，在结晶截面前沿造成成分过冷，促进基体晶粒的均质形核，从而细化晶粒。此外，凝固过程中枝晶间析出的高熔点化合物Al4Ce，很难作为α-Mg在凝固过程中的异质形核核心，但它能吸附在α-Mg晶粒周围阻碍它长大，起细晶强化作用。大量的Ce的添加引起镁合金晶粒粗化的原因可能在于：Ce在镁中的固溶度只有0.75%，当镁合金中Ce的加入量达到0.8%～0.93%时，在凝固过程中过剩的Ce与Al形成大量Al4Ce化合物，放出大量的结晶潜热，降低了液态金属的过冷度，从而使晶粒细化效果降低，合金开始粗化。

2 Nd对镁合金组织的影响

Nd在镁中的固溶度为3.6%，大于Ce的固溶度0.75%，属于轻稀土元素。当加入1.2%Nd时，其晶粒最细，晶粒平均直径由145μm减小到42μm。由于Mg与Nd形成高温稳定相Nd5Mg，对晶粒的长大起到阻碍作用。随着Nd含量的增加，Mg-Nd化合物分布越均匀，细化效果就越好。

AZ91中合金中加入0.2%～0.8%Nd可明显细化α晶粒，晶粒平均尺寸由未细化前的108μm降至约31μm，当Nd含量为0.5%时，其晶粒尺寸最小，同时发现，枝晶组织明显细化，二次枝晶间距变小。由于活性元素Nd在非平衡条件下存在正偏析，凝固过程中易富集于固/液界面前沿造成成分过冷，从而促进α晶粒均质形核的生成，细化了晶粒。

由于溶质再分配，Nd和Al将富集在结晶前沿的液相中，且降低了固/液界面前沿成分的熔点，促进成分过冷的形成，使α-Mg树枝晶臂细化，二次晶臂间距变小；同时也为Al2Nd相的形成创造了浓度条件。RE相一旦形成，将会对α-Mg晶体的生长造成阻碍，并有助于α-Mg枝晶的分枝细化。另外晶粒变细的原因还有可能是镁合金中加入RE后金属液粘度增加，对流减弱，原子扩散变得困难，因而易于达到较大的过冷度，使晶体的生核过程加快。Nd在Mg中的分配系数小于1，且固溶度随温度降低而降低，因此，Nd元素基本上不固溶于α-Mg基体中。当镁合金中Nd的加入量达到0.9%～1.1%时，晶粒细化效果开始降低。

3 稀土Y对镁合金组织的影响

Y属于重稀土，它与Mg一样，同样具有密排六方晶体结构，原子半径相近，其在Mg中的固溶度为12.5%。Y对镁合金的作用在于其能够降低熔体固液界面张力，使形核功下降，临界形核半径减小，形核容易；还可以成为α-Mg的异质结晶核心，且在凝固过程中能形成高熔点含稀土Y合金相作为非自发结晶的核心，阻碍晶粒的长大；RE合金相的再分配与偏析导致枝晶生长的固/液界面前沿成分过冷区增大，从而加快形核速率，使得枝晶间距减小，晶粒细化。Y在镁合金中的固溶度为12.5%，比Ce和Nd都要大，当镁合金中Y的加入量达到1.2%～1.6%时，合金凝固时会在晶界出形成大量的第二相，放出大量结晶潜热，减弱了凝固过程的成分过冷程度，使晶粒细化作用减弱。

4 Er对镁合金组织的影响

Er是一种密排六方结构的重稀土元素，在纯Mg中的最大固溶度为32.6%，并且随着温度的降低而降低。Er原子半径为0.1757nm，比Mg原子半径大8.82%，对镁合金可能产生强烈的固溶强化作用；Er的电负性较低（1.24），易与镁合金中的电负性较高的Al、Zn等合金元素形成稳定化合物，强化镁合金基体。

加入稀土Er后，稀土相受凝固时扩散动力学条件限制而聚集在固液界面前沿，增大了合金的成分过冷而使分枝过程加剧，二次枝晶增多，最终使枝晶间距减小，组织细化。

Er在镁中的固溶度高达32.6%，Er加入到镁合金中后，首先固溶到镁基体中，当加入量超过1.2%～2.0%时，凝固过程中过剩的Er形成大量合金化合物，放出大量结晶潜热，降低了液态金属的过冷度，从而使晶粒细化效果降低。

5 Sc对镁合金组织的影响

Sc属于稀散元素，其在镁中的固溶度可达25.9%，Sc作为镁合金的强化元素具有较高的熔点，达到1541℃，但其在镁合金中的扩散能力相对于其他Re较差。Sc的密度为3g/cm3，比其他Re的密度小，更能体现镁合金低密度的特点。

Sc的晶格结构和点阵常数决定了它们很难起到异质形核核心的作用，其对镁合金组织的影响尚不清楚，它对镁合金组织的细化作用可能是溶质偏析导致枝晶生长的固/液界面前沿产生成分过冷区，从而阻碍枝晶的生长并并增大形核驱动力。

6 结语

不同含量的RE对不同体系镁合金晶粒的作用效果各有不同，RE对镁合金晶粒细化机理理论还未完全建立起来，但是可以通过以上研究现状总结得出液固界面前沿溶质的富集和有效的形核质点是晶粒细化必不可少的两个因素，溶质偏析的作用导致枝晶生长的固液界面前沿产生成分过冷区，从而增大形核驱动力；而形核质点的形核能力决定了凝固开始及成分过冷区内的有效晶核的数量。另外，Ce、Nd、Y、Er和Sc对镁合金晶粒均有不同程度的细化作用，但是当其含量达到一定程度时，对合金细化效果降低甚至粗化。Ce和Nd属于轻稀土，Y和Er属于重稀土，Sc为稀散稀土，其固溶度依次增加。

根据合金晶粒开始粗化时所加入RE的量可发现该临界量与RE在镁中的固溶度有关：随着固溶度的增加，开始粗化时所加入的临界量越大。合金晶粒粗化的原因是由于RE添加量过多，在合金凝固时，会在晶界处形成大量的第二相化合物，放出大量的结晶潜热，从而降低液态金属的过冷度，这些第二相化合物也可能聚集长大，从而使组织粗化。这一规律为试图通过添加RE细化晶粒提供了一定依据。

参考文献

[1] 刘子利，沈以赴，李子全，等.铸造镁合金的晶粒细化技术[J].材料科学与工程学报，2004，22（1）：146-149.

[2] 余琨，黎文献，张世军，等.Ce对镁及镁合金中晶粒的细化机理[J].稀有金属材料与工程，2005，34（7）：1013-1016.