原標題：半固態(tài)成形鎂稀土系鎂合金研究進展

鎂稀土合金因其優(yōu)異的力學性能和輕量化特性，成為航空航天、新能源汽車等高端裝備的理想材料。然而，傳統(tǒng)成形工藝限制其廣泛應用。半固態(tài)成形技術通過獨特的液固混合狀態(tài)加工，顯著提升鑄件質(zhì)量與性能，成為突破鎂稀土合金制造瓶頸的關鍵路徑。

鎂合金作為最輕的工程結(jié)構材料，具有低密度、高比強度、良好的阻尼和電磁屏蔽性能，在航空航天、武器裝備、軌道交通及3C產(chǎn)品等領域具有廣泛應用前景。然而，商用Mg-Al系合金在150℃即發(fā)生軟化，耐熱性能不足。以重稀土元素（如Gd、Y）為主的Mg-RE合金，因稀土原子在鎂中固溶度隨溫度變化大，具有顯著的時效硬化特性，能在250℃以上仍保持優(yōu)良的服役性能。

傳統(tǒng)高壓壓鑄（HPDC）雖效率高，但易產(chǎn)生氣孔，無法進行后續(xù)熱處理，限制了Mg-RE合金性能的充分發(fā)揮。半固態(tài)成形（Semi-solid Processing, SSP）技術通過低溫、層流充型，有效減少鑄造缺陷，提高鑄件致密度，使其具備熱處理潛力，尤其適用于時效硬化型Mg-RE合金。

【內(nèi)容來源】

本文由江蘇大學汪存龍副教授、上海交通大學吳國華教授等合作完成，題為《半固態(tài)成形鎂稀土系鎂合金研究進展》，發(fā)表于《特種鑄造及有色合金》2025年第6期。文章系統(tǒng)綜述了半固態(tài)成形Mg-RE合金的成分設計、漿料制備、成形工藝及性能評價，為該類合金的工程應用提供了重要參考。

【研究亮點】

本研究系統(tǒng)梳理了半固態(tài)成形Mg-RE合金的最新進展，首次整合成分設計、制漿技術、成形工藝與性能評價，指出半固態(tài)成形不僅能顯著提升合金的室溫與高溫力學性能，還能改善耐腐蝕性和疲勞性能，為鎂稀土合金在高端裝備中的應用提供了全鏈條技術支撐。

【研究方法】

研究通過熱力學計算優(yōu)化合金成分設計，采用多種半固態(tài)制漿技術（如電磁攪拌、超聲振動、氣泡攪拌、SEED法等）制備高質(zhì)量漿料，結(jié)合流變壓鑄（RDC）、流變擠壓鑄造（RSC）和觸變成形等工藝，系統(tǒng)分析了微觀組織演變與力學性能關系。

【內(nèi)容解讀】

1、半固態(tài)成形鎂稀土合金的成分設計和材料體系研究進展

半固態(tài)成形技術通過非平衡凝固機制與漿料流動特性提升鎂稀土合金的力學性能。合金成分設計需優(yōu)化流變行為和利用稀土元素的時效硬化特性，以構建多相強化體系。凝固區(qū)間、半固態(tài)加工溫度和固相率的穩(wěn)定性是制備半固態(tài)漿料的關鍵因素。溫度敏感性是影響固相率穩(wěn)定性的主要參數(shù)，而稀土元素的加入可提高合金性能。研究集中在Mg-Gd-Y系和Mg-Y-Nd系合金，以及用廉價元素替代部分稀土以降低成本。新型Mg-Gd-Ca合金通過減少Gd用量并改善高溫蠕變性能，展示了半固態(tài)成形方法在設計高溫應用新型多元鎂合金體系中的潛力。

圖1 高純鋁凝固過程以及純金屬或共晶合金冷卻過程中焓和溫度的變化示意圖

圖2 基于Scheil方程的相圖熱力學計算得到的固相率與溫度關系曲線（曲線上的數(shù)字表示斜率）

2、鎂稀土合金半固態(tài)漿料制備研究進展

討論了半固態(tài)成形鎂稀土系鎂合金的漿料制備技術。半固態(tài)加工技術分為流變成形和觸變成形，關鍵在于制備出高質(zhì)量的漿料，其中α-Mg顆粒的尺寸和形貌對漿料質(zhì)量至關重要。制漿過程中，需要產(chǎn)生細小、近球形的初生相以獲得良好的流動性。研究者提出了多種非枝晶初生相形成機制的假說，包括枝晶臂斷裂、枝晶臂根部重熔和生長控制機制。外場如機械攪拌、電磁攪拌和超聲波振動等可促進α-Mg由玫瑰狀向球狀轉(zhuǎn)變。另一種制備方法是通過升溫合金錠至半固態(tài)溫度區(qū)間獲得漿料，其中半固態(tài)等溫熱處理法和應變誘導熔化激活法應用廣泛，固相法制漿參數(shù)主要包括加熱溫度和保溫時間。目前，半固態(tài)制漿方法有近30種，代表性工藝包括雙螺桿攪拌法、電磁攪拌法等。氣泡攪拌法在鎂合金半固態(tài)漿料制備中得到深入研究，優(yōu)化后的制漿參數(shù)可獲得細小、球形的半固態(tài)漿料。鎂稀土合金體系半固態(tài)漿料制備研究較少，低頻電磁攪拌法可成功制備Mg-Gd-Zn、Mg-Nd-Zn合金半固態(tài)漿料，通過優(yōu)化工藝參數(shù)和成分得到質(zhì)量較好的半固態(tài)漿料。在Mg-Y-Zn、Mg-RE-Y-Zn合金半固態(tài)制漿中引入超聲波振動，可促進α-Mg顆粒的球化。流變成形Mg-RE合金的制漿工藝中，引入Mg-Zr中間合金也是制備良好漿料的有效方法。觸變成形的制漿方法主要包括在凝固時引入外場、細化劑、細小的初生相顆粒或塑性變形等，然后將鑄錠重新加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間獲得組織較好的漿料，其中應變誘發(fā)熔化激活法和半固態(tài)等溫熱處理法研究較多。觸變法制備半固態(tài)漿料可以穩(wěn)定地制備出合格的半固態(tài)坯料，且在熔體純凈度方面可以避免絕大多數(shù)氧化缺陷，有望成為制備高性能鎂稀土合金半固態(tài)漿料的重要方法。

圖3 GISS法和SEED法制漿方式

圖4 LFEMS半固態(tài)漿料制備設備及裝置示意圖
1.電磁線圈 2.真空試樣采集裝置 3.熱電偶 4.加熱線圈 5.溫度記錄系統(tǒng)

圖5 Mg-Gd-Zn半固態(tài)漿料的OM顯微組織

圖6 Mg-10Gd-2Ca-xZr（x=0，0.2，0.4，0.6，%）合金半固態(tài)漿料微觀組織

圖7 Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr合金的半固態(tài)組織隨等溫溫度和等溫時間的變化

圖8 半固態(tài)組織演化過程中機制演變示意圖

3、鎂稀土合金半固態(tài)成形工藝研究進展

半固態(tài)成形技術在鎂合金領域的應用逐漸增多，特別是在汽車制造和消費電子行業(yè)。鎂合金半固態(tài)成形工藝包括觸變成形和流變成形，其中流變成形工藝如流變壓鑄（RDC）和流變擠壓鑄造（RSC）能有效解決卷氣問題，適合Mg-RE合金。研究顯示，半固態(tài)成形鑄件的微觀組織和力學性能得到改善，且可進行時效處理。國內(nèi)對鎂稀土合金的半固態(tài)成形進行了研究，發(fā)現(xiàn)Gd含量變化影響合金的顯微組織和力學性能，而低頻電磁攪拌和超聲振動技術有助于制備高質(zhì)量的半固態(tài)漿料。觸變成形工藝中，液相偏析是常見問題，減小α-Mg顆粒尺寸有助于減輕此問題。注射成形技術在鎂合金制備中受到關注，其工藝流程包括感應加熱、精確控溫和注射成形，適用于新能源汽車和3C電子領域。鎂合金半固態(tài)注射成形技術展現(xiàn)出晶粒細化效果，但目前尚未見有關鎂稀土合金的研究報道。隨著材料基因工程技術的發(fā)展，有望推動鎂稀土合金在大型復雜結(jié)構件領域的應用。

圖9 RDC加工示意圖及其成制備合金的典型微觀組織

圖10 傳統(tǒng)HPDC和RDC制備的GWZ1131K合金的OM顯微組織

圖11 RDC模具和鑄件的實物圖

圖12 流變壓鑄 Mg-xGd-3Y-1Zn-0.4Zr （x=8， 10， 12， 14，%）合金鑄態(tài)的SEM-BSE圖像

圖13 RSC工藝示意圖
1.熔體 2.超聲探頭 3.變幅桿 4.超聲換能器 5.升降裝置 6.超聲源 7.溫控器 8.頂銷 9.固定模 10.上模

圖14 流變擠壓鑄造試樣在不同壓力下的顯微組織

圖15 觸變成形工藝流程

圖16 觸變成形EK21-WE43B合金的微觀組織

圖17 鎂合金的注射成形裝置與產(chǎn)品
1.產(chǎn)品 2.模具 3.噴嘴 4.止回閥 5.雙金屬桶 6.螺桿 7.鎂屑 8.加料斗 9.保護氣體 10.伺服電機 11.高速注射單元 12.加熱線圈 13.桶架 14.半固態(tài)漿料

4、半固態(tài)成形鎂稀土合金的性能

探討了半固態(tài)成形鎂稀土合金的性能，包括靜態(tài)拉伸性能、蠕變性能、疲勞性能、耐蝕性和摩擦磨損性能。研究表明，半固態(tài)成形鎂合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率比常規(guī)鑄造方法顯著降低，RE和Ca元素的加入明顯改善了AZ91合金的蠕變性能。半固態(tài)成形AM60B鎂合金的低周疲勞壽命明顯長于壓鑄合金，且隨應變幅值和應變比的減小而增大。半固態(tài)成形鎂稀土合金試樣表現(xiàn)出較高的伸長率，主要歸功于控制鑄造缺陷方面明顯優(yōu)于常規(guī)壓鑄工藝。流變壓鑄方法制備的Mg-11Gd-3Y-1Zn-0.2Zr合金經(jīng)過T4熱處理后，屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為169 MPa、250 MPa和6.1%。超聲振動處理后的半固態(tài)漿料與擠壓鑄造相結(jié)合制備的Mg-3RE-1Zn-1.4Y-0.6Zr合金，隨著施加壓力的增加，抗拉強度不斷提高。流變擠壓鑄造方法制備的Mg-2Y-1Zn-0.1Zr合金，在400 MPa擠壓壓力下，抗拉強度和伸長率達到最大值。低頻電磁攪拌制漿結(jié)合流變擠壓鑄造方法制備的Mg-Nd-Zn-Zr合金，施加壓力和熱處理工藝對合金力學性能有顯著影響。在Mg-RE合金的觸變成形中，混合擠壓后進行觸變成形的EK21與WE43B鎂合金表現(xiàn)出良好的時效硬化行為。Pandat熱力學計算優(yōu)化了Mg-8.57Gd-3.72Y-0.54Zr半固態(tài)漿料的加工窗口，觸變成形合金的力學性能得到了顯著提升。在耐蝕性方面，半固態(tài)成形Mg-6Zn-0.9Nd-0.9Zr鎂合金表現(xiàn)出較好的耐蝕性，網(wǎng)狀分布的液相阻止了腐蝕介質(zhì)在固相之間的流動，從而抑制了大部分局部腐蝕。流變擠壓鑄造Mg-8.6Zn-0.6Y合金的耐腐蝕性能隨施加壓力的增大而增強。觸變成形的WE43鎂合金在Cl-環(huán)境中具有更好的力學性能和耐腐蝕性，但經(jīng)過T6熱處理后，耐腐蝕性略有下降。

圖18 采用RDC和常規(guī)HPDC制備的Mg-RE合金的工程應力-應變曲線和力學性能

圖19 不同壓力下RSC試樣在不同浸泡時間下的三維腐蝕形貌

圖20 在0.1 mol/L NaCl水溶液中浸泡試驗中WE43鎂合金表面腐蝕過程的簡化模型

【主要結(jié)論】

半固態(tài)成形技術因其低成本、短流程、低能耗等特點在Mg-RE合金體系中具有廣闊的應用前景：

（1）適用于半固態(tài)成形技術的Mg-RE合金成分設計是獲得優(yōu)異質(zhì)量鑄件的前提，利用熱力學計算軟件對Mg-RE合金半固態(tài)制漿過程中固相率的計算，分析不同合金化元素對fs-T曲線斜率的影響從而確定合金化元素對半固態(tài)漿料成形性能的影響。稀土元素的種類及添加量的調(diào)控有助于Mg-RE半固態(tài)成形鑄件的性能提升。非稀土元素如Ca、Zn、Zr主要作為功能性的合金化元素，有助于半固態(tài)漿料的成形性能、鑄件的高溫性能的提升。

（2）半固態(tài)漿料的穩(wěn)定制備是保證成品質(zhì)量的前提，目前主要聚焦于半固態(tài)漿料的制備技術。液相法制備半固態(tài)漿料時往往輔以外物理場，可以獲得較大體量的半固態(tài)漿料，缺點是制備工藝復雜，對設備要求高，容易產(chǎn)生缺陷。固相法制備半固態(tài)漿料時對設備要求不高，并且非擾動的加熱可以避免絕大多數(shù)氧化缺陷，缺點是零件毛坯尺寸小，制備大件時對設備要求高、組織偏析嚴重。

（3）Mg-RE合金的半固態(tài)成形技術主要包括半固態(tài)高壓壓鑄、半固態(tài)擠壓鑄造，采用半固態(tài)成形后的高壓壓鑄的鑄件可以進行熱處理強化，從而發(fā)揮Mg-RE合金時效硬化的優(yōu)勢。壓力鑄造下的微觀組織致密度得到提升，避免了孔洞、氣孔等鑄造缺陷對鑄件的不利影響。

（4）利用半固態(tài)成形技術可在一定程度上改善Mg-RE合金的室溫、高溫拉伸性能和耐腐蝕性能。而半固態(tài)成形在Mg-Al合金中的研究還發(fā)現(xiàn)高溫抗蠕變性能和抗疲勞性能得到提升，有望對Mg-RE合金起到類似的效果。

采用半固態(tài)成形技術制備的Mg-RE半固態(tài)合金表現(xiàn)出的力學性能尤其是高溫力學性能的提升潛力巨大，對于發(fā)展耐熱鎂合金提供了新思路。針對目前存在的問題，鎂稀土合金半固態(tài)成形技術的發(fā)展需重點關注以下方面：

（1）從合金成分的設計出發(fā)，研究添加微量元素對鎂稀土合金半固態(tài)加工窗口的進一步拓寬，并對實現(xiàn)初生相尺寸、體積分數(shù)的穩(wěn)定控制提出了要求。

（2）開發(fā)針對半固態(tài)漿料熔體凈化工藝，實現(xiàn)低溫凈化，保證半固態(tài)漿料的純凈度，優(yōu)化當前已有制漿工藝或者開發(fā)新型高效、綠色友好的制備工藝有助于鎂稀土合金半固態(tài)成形的實踐。

（3）半固態(tài)成形鎂稀土合金的成形工藝參數(shù)探索，結(jié)合仿真模擬軟件實現(xiàn)對鑄造流程的控制，同時還需開發(fā)面向Mg-RE合金半固態(tài)成形的專用設備。

（4）利用鎂稀土合金的優(yōu)勢，重點關注半固態(tài)成形鎂合金的熱處理制度及相應狀態(tài)的力學性能，尤其應關注其高溫蠕變變形行為和疲勞斷裂行為等。

【中文引用格式】

汪存龍，王翔宇，謝赫，等. 半固態(tài)成形鎂稀土系鎂合金研究進展[J]

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》