隨著輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在航空航天、軍工及汽車等重要工業(yè)領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用，鎂合金以其低密度、的特點(diǎn)受到科研人員的高度重視，并得到企業(yè)界的關(guān)注。在鎂合金體系中，相比于傳統(tǒng)的鎂鋁系和鎂鋅系合金，以稀土為主要合金元素的鎂稀土合金具有更高的強(qiáng)度和抗蠕變性能，因而其作為結(jié)構(gòu)材料在上述關(guān)鍵領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?；谏鲜鲂枨?，近年來國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了一系列的鎂稀土合金材料，并開展了相關(guān)的制備、加工技術(shù)和應(yīng)用研究，取得了較大的進(jìn)展。但在鎂稀土合金開發(fā)和應(yīng)用過程中，仍遇到一些困難及技術(shù)瓶頸難題，主要表現(xiàn)在材料的成分設(shè)計(jì)、熔體純凈化與細(xì)化、材料制備與成型加工技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面。近日上海交通大學(xué)輕合金精密成型中心丁文江院士、吳國華教授與江蘇大學(xué)材料學(xué)院汪存龍博士及上海理工大學(xué)材料學(xué)院孫明博士等人系統(tǒng)綜述了鑄造鎂稀土合金的研發(fā)與應(yīng)用概況。該文主要針對(duì)鎂稀土合金的材料設(shè)計(jì)、熔體純凈化與細(xì)化、材料液態(tài)加工技術(shù)、鎂稀土合金的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。（1）鎂稀土合金材料體系的開發(fā)稀土元素（RE）通常分為兩類，即輕稀土和重稀土，已經(jīng)開發(fā)的高強(qiáng)耐熱Mg-RE系合金主要以重稀土為主，例如Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Dy，Mg-Sm等。上述新近開發(fā)的Mg-RE合金具有與常規(guī)Mg-Al或Mg-Zn系列合金相當(dāng)?shù)拿芏鹊W(xué)性能得到大幅度提高；而與鑄造Al合金相比，其具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和更低的密度；因而鎂稀土合金具有兼具高強(qiáng)度和低密度的優(yōu)勢。常見的鑄造鋁合金和鎂合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨輕金屬密度變化的示意圖如圖1所示。由于Mg-Gd和Mg-Y合金具有很強(qiáng)的時(shí)效硬化能力和潛在的實(shí)際加工潛力，因此成為研究多的合金，而現(xiàn)有的鎂稀土合金也主要基于此兩種體系。

鑄造鎂合金比變形鎂合金使用的更多。鑄造鎂合金是航空工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種輕合金。用鎂合金鑄件代替鋁合金鑄件,在強(qiáng)度相等的條件下,可以使工件重量減輕百分之二十五到百分之三十。鎂合金和鋁合金一樣,根據(jù)加工方法可以分為變形(壓力加工)鎂合金和鑄造鎂合金兩大類。這些年來,隨著壓鑄技術(shù)的發(fā)展,壓鑄鎂合金已成為鎂合金應(yīng)用的主要領(lǐng)域。此外,鎂合金作為犧牲陽極其用途也有了很大的發(fā)展。

鎂屬于輕金屬,屬鎂為銀白色,在空氣中極易被氧化,形成一層薄氧化膜,可以防止其進(jìn)一步氧化。

鎂化學(xué)活性很高,在自然界中很難遇到純鎂礦。在海水中以氯化物存在,約含百分之零點(diǎn)一四,在地殼中以光鹵石、菱鎂礦、白云石和一些其他化合物形式存在,含量達(dá)到百分之二點(diǎn)三五。

鎂是化學(xué)元素周期表中比較的金屬元素，具有非常強(qiáng)的化學(xué)活性和氧化性[4]。純鎂為銀白色，表面容易與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化鎂薄膜。鎂的密度很小，相應(yīng)地鎂合金密度也比較小，是比鋼鐵、鋁合金更輕的輕型結(jié)構(gòu)材料[5]。主要特點(diǎn)如下：

（1）鎂合金的密度很小，相當(dāng)于鋁合金的35%左右，鋼鐵的25%左右。

（2）鎂合金穩(wěn)定性強(qiáng)，可以進(jìn)行快速切削加工，且能夠保持較高的鑄造尺寸精度和機(jī)械加工尺寸精度。

（3）鎂合金具有很強(qiáng)的抗電磁干擾屏蔽性，在生產(chǎn)加工與使用過程中具有很強(qiáng)的適用性。

（4）鎂合金的化學(xué)性質(zhì)活潑，熱加工性較弱，在熔煉鑄造與焊接過程中容易產(chǎn)生缺陷。

鎂合金與鋼鐵、鋁合金一樣，都屬于金屬結(jié)構(gòu)材料，都可以通過機(jī)械加工、熔煉鑄造鍛壓、焊接熱處理等方式進(jìn)行生產(chǎn)加工[6]。一般地，鎂合金按照合金系的不同主要分為五大類：Mg-Al 系合金、Mg-Zn 系合金、Mg-Mn 系合金、Mg-RE 系合金、Mg-Li 系合金。按照生產(chǎn)加工方式的不同分為兩大類：鑄造鎂合金、變形鎂合金[7]。

在采用傳統(tǒng)技術(shù)壓鑄時(shí)，熔體呈高速紊流和彌散狀態(tài)充填壓鑄型腔，腔內(nèi)氣體（空氣、保護(hù)氣體和模具表面潤滑劑揮發(fā)氣體）無法排出，形成高壓微孔或溶于合金內(nèi)，抑或在充模過程中形成氣隔，使充模過程中斷。氣孔中的氣體在高溫下析出或脹大，使鑄件變形和表面鼓包。因此，用傳統(tǒng)壓鑄工藝生產(chǎn)的鎂合金工件，不能進(jìn)行熱處理或在較高溫度下工作。

近30年來，為了克服這些缺陷、提高其質(zhì)量和拓寬壓鑄技術(shù)的應(yīng)用范圍，科技工作者開發(fā)出了新的壓鑄工藝，如真空壓鑄、充氧壓鑄和半固態(tài)壓鑄等。與傳統(tǒng)壓鑄工藝相比，新工藝在消除壓鑄件鑄造缺陷和提高力學(xué)性能、表面及內(nèi)在品質(zhì)等多方面具有性。

真空壓鑄

真空壓鑄是通過在鑄造過程中，排除型腔內(nèi)氣體而消除或減少壓鑄件內(nèi)氣孔和溶解氣體以提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。真空壓鑄的大沖頭速度可達(dá)10m/s，充型時(shí)間20s~30s，工件小壁厚1.5mm~2mm，強(qiáng)度性能可提高10%以上，韌性可提高20%~50%。此外，真空壓鑄還可以提高AM50合金的伸長率，由普通壓鑄的15%上升到19%。

20多年前，真空壓鑄AM60B合金汽車輪和方向盤就已獲得應(yīng)用，但真空壓鑄對(duì)鎂合金工件性能的提高遠(yuǎn)不如鋁合金明顯，因未受到重視，真空壓鑄鎂合金工藝的開拓也不強(qiáng)勁。

充氧壓鑄

充氣壓鑄又稱無氣孔壓鑄，是在鎂熔體充型前，將氧或其他活性氣體充入型腔，置換型腔內(nèi)的空氣。鎂熔體充型時(shí)與活性氣體反應(yīng)，生成MgO微粒，彌散地分布于壓鑄件內(nèi)，從而清除了壓鑄件中的氣體，使鎂合金壓鑄件可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。日本輕金屬公司率先用充氧壓鑄工藝生產(chǎn)出了AZ91合金計(jì)算機(jī)整體磁頭支架、汽車車輪等。

壓縮成型

美國俄亥俄精密成型公司開發(fā)的壓縮成型法，是向整個(gè)壓鑄件表面施加壓力，鎂合金在壓力作用下凝固，改善了合金的顯微組織，晶粒細(xì)化，使得空隙率大大下降，鑄件組織致密均勻，可用于生產(chǎn)性能要求高、形狀復(fù)雜的鎂合金零件。

擠壓鑄造

擠壓鑄造是壓力鑄造的一種，早出現(xiàn)在1819年英國的一份專利中。德國1931年制出世界首臺(tái)擠壓鑄造機(jī)，隨后，在蘇聯(lián)得到廣泛應(yīng)用，但直到20世紀(jì)60年代，在北美、歐洲和日本才開始應(yīng)用。北美壓鑄協(xié)會(huì)（NADAC）給擠壓鑄造下的定義是采用低的充型速度和小的擾動(dòng)，使金屬熔體在高壓下凝固，以獲得可熱處理的、致密度高的鑄件鑄造工藝。實(shí)驗(yàn)證明，在充型速度小于2m/s、充型壓力大于70MPa，即可獲得組織和性能良好的鑄件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年，全世界約有365臺(tái)擠壓鑄造機(jī)，大都用于鑄造汽車、自行車、空調(diào)器、閥和泵等零件。

合金熔體被注入型腔內(nèi)，在擠壓鑄造機(jī)沖頭的機(jī)械壓力作用下，被擠壓成型，并在壓力作用下凝固，鑄件組織致密，很少有氣孔、疏松、疏孔等缺陷，顯微組織細(xì)小均勻，有時(shí)鑄件的力學(xué)性能幾乎與鍛件的相等。鑄件在壓力狀態(tài)下凝固成型，不會(huì)變形開裂，工藝簡單，操作方便靈活，自動(dòng)化水平高，成品率高。多用于生產(chǎn)強(qiáng)度高、氣密性好的零件，特別是薄板類鑄件，如各種閥體、機(jī)架、汽車輪盤、車門等。

鎂合金是以鎂為基體，同時(shí)加入其他元素合金化而成，能夠改善材料的物理、力學(xué)、熱力學(xué)、耐腐蝕等性能，從而滿足不同領(lǐng)域及工作環(huán)境的需求 。稀土元素能夠在一定程度上改善鎂合金的熔體凈化效果和鑄造能力，同時(shí)能夠優(yōu)化組織，提高材料的力學(xué)性能及抗氧化和抗蠕變性能 ，使鎂合金強(qiáng)度提高1.5~2.5倍，極限工作溫度提升至350℃，且耐蝕性能顯著提升，拓展了鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。Gd對(duì)鎂合金具有顯著的強(qiáng)化效果，但其高昂的價(jià)格限制了Mg-Gd系合金的應(yīng)用與推廣，因此，需要尋找到與Gd作用相似且廉價(jià)的合金化元素。Er在鎂合金中與Gd具有類似的作用，這使得新型含Er鑄造鎂合金的應(yīng)用成為可能，且價(jià)格低廉，目前已開發(fā)出了一系列具有較高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的含Er鑄造鎂合金。本課題綜述了Er對(duì)鑄造鎂合金熔體、組織與性能的影響規(guī)律及其作用原理，構(gòu)建了含Er稀土鎂合金固溶度變化簡易模型，展望了含Er鎂合金未來的研究方向。