鄒 靜，楊明波,3，吳若愚，畢 媛，李忠盛

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054； 2.西南技術(shù)工程研究所， 重慶 400039；3.精密成形集成制造重慶市產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 重慶 400050)

含Ho鎂合金的研究現(xiàn)狀及最新進展

鄒 靜1，楊明波1,3，吳若愚1，畢 媛1，李忠盛2

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054； 2.西南技術(shù)工程研究所， 重慶 400039；3.精密成形集成制造重慶市產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 重慶 400050)

含Ho鎂合金作為有發(fā)展前途的鎂合金，目前已引起國內(nèi)外的廣泛關注和高度重視。綜述了含Ho鎂合金的研究開發(fā)現(xiàn)狀，尤其是Ho對鎂合金組織性能的影響以及Mg-Ho基和Mg-RE-Ho基新型稀土鎂合金開發(fā)這幾方面的進展，指出了目前還存在的問題，并對今后的發(fā)展進行了展望。

鎂合金；稀土鎂合金；Ho；Mg-Ho基合金；Mg-RE-Ho基合金

鎂合金作為最輕質(zhì)的金屬工程結(jié)構(gòu)材料，雖然其工業(yè)應用自上世紀90年代以來呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，但總體而言，目前已得到應用的鎂合金牌號還比較少，并且現(xiàn)有鎂合金的強度和塑性等也還難以滿足工業(yè)快速發(fā)展的需要[1-6]。因此，研究開發(fā)高性能的鎂合金對于推動其應用意義重大。

眾所周知，稀土元素與鎂的原子半徑相差較小，在鎂中固溶度較高，固溶/沉淀強化作用明顯和時效強化效果顯著，可改善鎂合金的組織結(jié)構(gòu)進而提高合金的室/高溫力學性能以及耐蝕性能等[1]；此外，由于稀土元素原子擴散能力較差，對鎂合金再結(jié)晶溫度的提高和再結(jié)晶過程的減緩也有積極的影響[2]。也正是因為如此，高性能含稀土鎂合金的研究開發(fā)一直受到國內(nèi)外的廣泛關注和高度重視。目前，國內(nèi)外對于含Ce、La、Y、Nd、Gd和Sc等稀土元素的鎂合金已開展大量研究工作，而對于含Ho鎂合金的研究則相對較少。與其他稀土元素相比，稀土元素Ho自身的特點比較明顯[7]：① Ho在Mg 中的最大固溶度可達28.08%，且原子半徑比Gd還小，加之4f軌道電子多使其化學活性高；② Ho與Al、Zn、Li、Mn、Gd和/或Nd等合金元素復合添加入鎂合金中，不但會形成Mg24Ho5、Mg2Ho和/或MgHo等高熔點相，還可形成Al-Ho和/或Mg-Zn-Ho等強化相，從而使鎂合金室溫和/或高溫性能等得到提高，并最終有望開發(fā)出高性能的含Ho鎂合金。正是基于稀土元素Ho在鎂合金中的應用優(yōu)勢和含Ho鎂合金的開發(fā)前景，國內(nèi)外圍繞Ho對鎂合金組織性能的影響以及Mg-Ho基和Mg-RE-Ho基新型稀土鎂合金的開發(fā)等開展一些開拓性工作，并取得了一些積極的成果。

1 Ho對鎂合金組織性能的影響

Ho對鋁合金顯微組織和力學性能影響的研究結(jié)果表明[8-9]：Ho對于鋁合金具有很好的晶粒細化作用，進而使得鋁合金的力學性能和腐蝕性能等得到改善。因此，Ho對鎂合金是否有類似的作用就成為國內(nèi)外鎂合金研究者關注的一個問題，并圍繞Ho對AZ91、AZ61、ZK60、AZ31、AZ52(Mg-5Zn-2Al)和Mg-Li基等鎂合金顯微組織、力學性能和/或耐蝕性能的影響開展了一些有針對性的研究，并取得了積極的研究結(jié)果[10-19]。

宋雨來等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)：在AZ91鎂合金中添加0.13%～2.16%的Ho后，合金鑄態(tài)組織中的α-Mg和β-Mg17A1l2相明顯細化。同時，二次β-Mg17A1l2相析出被抑制，并使合金鑄態(tài)組織中原有的不完全離異共晶組織全部轉(zhuǎn)化為離異共晶組織。相應的，使得含Ho的AZ91鎂合金的力學性能得到明顯改善(見表1)，其中當Ho含量為1.10%時，含Ho的AZ91鎂合金的室溫鑄態(tài)抗拉強度和延伸率同時得到大幅度提高，其分別達到273 MPa和4.5%。此后，隨著Ho含量進一步增加到2.16%時，室溫鑄態(tài)抗拉強度和延伸率分別達到了278 MPa和5.8%。上述Ho對AZ91鎂合金顯微組織和力學性能影響的研究結(jié)果在王素環(huán)等[11]的研究中得到了進一步證實。此外，張志瑋和賈志斌等[12-13]發(fā)現(xiàn)在AZ61鎂合金中添加0.5%～2.0%Ho后，除了形成Al2Ho相外，Ho還會促進合金組織中原有的Al-Mn相以Al-Mn-Ho三元相形式析出，并且Al-Mn-Ho三元相的數(shù)量隨Ho含量的增加而增加。同時，含Ho的AZ61鎂合金鑄態(tài)組織中的β-Mg17Al12相由未添加Ho時的連續(xù)網(wǎng)狀變?yōu)閿嗬m(xù)島狀和魚骨狀，但當Ho含量超過1.0%時，β-Mg17Al12相有重新結(jié)網(wǎng)傾向，同時基體也呈粗化趨勢。至于含Ho的AZ61鎂合金的力學性能，如表1所示，含1.0%和1.5%Ho的AZ61鎂合金展示了相對較佳的綜合力學性能。

除AZ91和AZ61鎂合金以外，Ho對其他鎂合金的顯微組織和力學性能也有積極的影響。許春香等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)，在ZA52鎂合金中添加0.5%～1.5%Ho后，不但形成了Al2Ho新相，而且合金的基體組織明顯細化，同時合金鑄態(tài)組織中的Mg32(Al,Zn)49相也由原來的半連續(xù)網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u狀和/或顆粒狀。相應地，合金的力學性能得到明顯改善，并且常/高溫抗拉強度和延伸率均隨著Ho含量的增加而增加(見表1)。同時，Li等[15]調(diào)查了添加1.91%Ho對ZK60鎂合金顯微組織和力學的影響，發(fā)現(xiàn)Ho能顯著細化ZK60鎂合金的晶粒，并在晶界生成了熱穩(wěn)定性高的Mg3Ho2Zn3相。相應地，合金的高溫延伸率大幅度增加，但高溫抗拉強度的增加不明顯。此外，韓偉等[16]研究了Ho對Mg-9.7Li鎂合金顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)在Mg-9.7Li鎂合金中加入0.6%-3.0%Ho后，合金組織中的α-Mg相被細化，其中含3.0%Ho的合金由于生成了Mg2Ho相使得其細化效果最好。目前，對于Ho細化鎂合金顯微組織的機理，已有的研究認為主要與以下3個方面有關：① 由于Ho是表面活性元素，導致鎂合金凝固過程中在液-固界面產(chǎn)生Ho富集，降低了固-液界面張力，從而造成成分過冷阻礙晶粒長大；② Ho在鎂合金凝固過程中會成為α-Mg的結(jié)晶核心，增加了形核質(zhì)點和提供了更多的晶核，從而導致合金晶粒細化；③ Ho與Mg、Al和/或Zn等會形成Mg2Ho、Al2Ho和Mg3Ho2Zn3等高熔點化合物，其在一定程度上可以阻礙晶粒的長大。

表1 含Ho的AZ91、AZ61和ZA52鎂合金的鑄態(tài)拉伸性能

實際上，在鎂合金中添加一定量的Ho不但有利于鎂合金力學性能的改善，而且也有利于鎂合金耐蝕性能的提高。宋雨來等[17-18]研究了Ho對AZ91鎂合金腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)在AZ91鎂合金中添加0.13%～2.16%Ho后，合金的抗自腐蝕性能和抗電偶腐蝕性能得到改善，尤其添加1.1%和2.16%Ho的合金的耐蝕性能相對較佳。類似的結(jié)果也在王素環(huán)等[11]的研究中得到了進一步證實。同時，戚爽等[19]調(diào)查了含0.54%～2.16%Ho的AZ31鎂合金的抗腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)含Ho的AZ31鎂合金的腐蝕速率明顯比未加入Ho的AZ31鎂合金的小，并且隨著Ho含量從0.54%增加到2.16%，合金的抗腐蝕性能呈逐步增加趨勢。此外，韓偉等[16]還發(fā)現(xiàn)在Mg-9.7Li鎂合金中添加一定量的Ho也使合金的耐蝕性能得到明顯提高。目前，對于Ho提高鎂合金耐蝕性能的機理，已有的研究認為其可能主要與Ho弱化了β-Mg17Al12相的陰極作用從而降低了微電偶電流以及提高了合金的自腐蝕電位有關，并最終導致耐蝕性能提高。

2 Mg-Ho基新型稀土鎂合金的開發(fā)

目前，Mg-Ho基新型稀土鎂合金的開發(fā)主要集中在Mg-Ho-RE基和Mg-Ho-Zn基兩個系列的鎂合金上。實際上，Mg-Ho基新型稀土鎂合金的開發(fā)最初主要始于Mg-Ho二元鎂合金。表2顯示了部分Mg-Ho二元稀土鎂合金的鑄態(tài)力學性能[7，20]。從表2可以看出：隨著Ho含量從6%增加到15%，合金的室/高溫抗拉強度和屈服強度以及硬度均呈增加趨勢，但延伸率逐漸減小，這可能與Ho含量增加引起的合金組織細化及第二相的析出有關。一方面，雖然第二相的析出會增加合金的熱穩(wěn)定性導致高溫性能改善，但同時Ho含量過高會導致第二相含量增多且粗化，因而使合金的延伸率下降。此外，Wang等[21]研究了Mg-Ho二元合金在極限固溶度條件下的力學性能，發(fā)現(xiàn)Mg-24.9Ho鑄態(tài)合金室溫下的維氏硬度可達111，室溫下的力學性能指標均達到200 MPa以上，是其他稀土元素所不能比擬的，同時高溫性能穩(wěn)定，但由于稀土含量過高，延伸率較低，導致合金硬而脆。

表2 Mg-Ho二元鎂合金的鑄態(tài)力學性能

2.1 Mg-Ho-RE基稀土鎂合金的開發(fā)

由于Mg-10Ho二元稀土鎂合金具有較好的綜合力學性能，因此一些研究者以Mg-10Ho二元鎂合金為基礎，通過進一步的稀土元素合金化和/或微合金化進行了Mg-Ho-RE基稀土鎂合金的研究開發(fā)。劉嬌嬌和欒軍等[7,20,13-25]設計制備了Mg-10Ho-Ce/Nd/Y-0.6Zr鎂合金并對其顯微組織和力學性能進行了研究，研究結(jié)果表明：Mg-10Ho-0.6Zr合金的鑄態(tài)組織主要由除a-Mg+Mg24Ho5相組成，當加入0.5%～2.0%Ce后，合金的鑄態(tài)組織主要由a-Mg+Mg24RE5(RE=Ce/Ho)相組成，同時出現(xiàn)了少量Mg12RE(RE=Ce/Ho)相；當加入1.0%～5.0%Nd后，合金的鑄態(tài)組織主要由a-Mg+Mg5RE(RE=Ho/Nd)相組成，但在含5.0%Nd的合金中出現(xiàn)了少量Mg41RE5(RE=Ho/Nd)相(見圖1)；而對于加入了2.0%～6.0%Y的合金，其鑄態(tài)組織主要由a-Mg+Mg24RE5(RE=Y/Ho)相組成。表3顯示了Mg-10Ho-Ce/Nd/Y-0.6Zr鎂合金的拉伸性能，從表3看到：在含Ce、Nd和Y的Mg-Ho-RE基稀土鎂合金中，以含5%Nd稀土鎂合金的力學性能最優(yōu)，其T6處理后的室溫抗拉強度和屈服強度分別為323 MPa和212 MPa，且250℃下的抗拉強度和屈服強度也分別達到了258 MPa和176 MPa。

圖1 Mg-10Ho-5.0Nd-0.6Zr合金鑄態(tài)組織中的(a)Mg5RE相和(b)Mg41RE5相[7]

Mg-Ho-RE基合金w/%狀態(tài)抗拉強度/MPa室溫250℃屈服強度/MPa室溫250℃延伸率/%室溫250℃硬度/HVMg-10Ho-0．6Zr鑄態(tài)183126886710．811．765T6態(tài)18413392718．611．780Mg-10Ho-0．5Ce-0．6Zr鑄態(tài)1901241199112．013．268T6態(tài)19914613210210．013．985

續(xù)表(表3)

2.2 Mg-Ho-Zn基稀土鎂合金的開發(fā)

基于國內(nèi)外對Mg-Y/Gd-Zn基稀土鎂合金的研究實踐，加之上面提及的稀土元素Ho自身獨特的特點，所以一些研究者開始針對Mg-Ho-Zn基稀土鎂合金進行研究。劉嬌嬌等[7,23]設計制備了Mg-xHo-3Zn-0.6Zr(x=3，5和7%)稀土鎂合金，并對其顯微組織和力學性能進行了研究，研究結(jié)果表明：3種合金的鑄態(tài)組織均主要由a-Mg、Mg3Ho2Zn3相以及少量的Mg24Ho5相組成，其中Mg3Ho2Zn3相的數(shù)量隨Ho含量的增加而增加。表4顯示了Mg-xHo-3Zn-0.6Zr鎂合金的鑄態(tài)拉伸性能，從表4看到：隨著Ho含量增加，試驗合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率均呈降低趨勢。同時，Zhang等[26-28]設計了Mg-6Ho-1Zn稀土鎂合金，并通過半連續(xù)鑄造方法制備出了該合金，其經(jīng)500 ℃×12均勻化處理并擠壓后(擠壓溫度440 ℃和擠壓比28)的室溫抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為325 MPa、224 MPa和17%，同時也展示了良好的耐腐蝕性能。此外，筆者設計制備了Mg-3Ho-2Zn-xGd-0.5Zr(x=0和1%)稀土鎂合金，其鑄態(tài)顯微組織和室溫拉伸性能分別如圖2和表4所示。從圖2可以看到不同合金組織中的Mg3Ho2Zn3相分別呈不同的形貌，并且含Gd合金組織中Mg3Ho2Zn3相的數(shù)量與未含Gd合金相比大為減少。而從表4中可以看到：未含Gd合金展示了較高的力學性能，其室溫抗拉強度和延伸率分別達到了244 MPa和12.5%。

表4 Mg-Ho-Zn基稀土鎂合金的鑄態(tài)室溫拉伸性能

3 Mg-RE-Ho基稀土鎂合金的開發(fā)

眾所周知，Mg-Gd和Mg-Y基稀土鎂合金由于具有很強的時效強化效果而一直受到國內(nèi)外的廣泛關注和高度重視?；诖?，一些研究者希望以Mg-Gd和Mg-Y基合金為基礎，通過引入第3組元Ho來研究開發(fā)Mg-Y/Gd-Ho基新型稀土鎂合金。Wang等[29]設計制備了Mg-xY-4Ho-0.6Zr(x=3，5和7%)稀土鎂合金，其T6處理后的拉伸性能如表5所示。從表5可以看到：隨著Y含量增加，Mg-xY-4Ho-0.6Zr合金的拉伸性能逐步增加，其中含7%Y合金的拉伸性能最優(yōu)，其T6處理后的室溫抗拉強度和屈服強度分別為240 MPa和165 MPa，且250℃抗拉強度和屈服強度也分別達到了204 MPa和131 MPa，而相應的強化機制被認為主要與時效過程中β′和β-Mg24Y(Ho)5相的析出有關。同時，Peng等[30]設計制備了Mg-8Gd-xHo-0.6Zr(x=1、3和5%)稀土鎂合金，并調(diào)查了該合金的顯微組織和力學性能，研究結(jié)果表明：Ho含量低于3%時，試驗合金的組織均勻和化合物呈彌散分布，相應地獲得了優(yōu)良的力學性能，其中含3%Ho的合金T6處理后的室溫抗拉強度和屈服強度分別達到了279 MPa和175 MPa。而當Ho含量為5%時，由于合金在凝固過程中生成了大量的沉淀相，其在時效過程中會向晶界附近富集，而這勢必會影響合金拉伸性能的進一步提高和改善。此外，筆者也設計制備了Mg-4Y-3Ho-0.2Zn/1Gd-0.4Zr稀土鎂合金，其鑄態(tài)拉伸性能如表5所示。從表5中可以看到：含Zn合金較含Gd合金的力學性能高，其鑄態(tài)室溫抗拉強度和延伸率分別達到了209 MPa和8.2%。

表5 Mg-Y/Gd-Ho基稀土鎂合金的拉伸性能

4 結(jié)束語

含Ho鎂合金作為有發(fā)展前途的鎂合金，已引起國內(nèi)外的廣泛關注和高度重視。目前，雖然國內(nèi)外圍繞Ho對鎂合金組織性能的影響以及Mg-Ho基和Mg-RE-Ho基新型稀土鎂合金的開發(fā)等已開展一些開拓性工作，并取得了一些積極的成果，但總體而言，這些已進行的研究還不夠完善。例如，對于Ho對鎂合金組織性能影響研究涉及的合金還非常少，并且對其他性能如疲勞性能等的研究還基本上沒有涉及。同時，在Mg-Ho基和Mg-RE-Ho基新型稀土鎂合金的開發(fā)方面，雖然已設計制備了一些合金并對其顯微組織和力學性能進行了一些初步的研究，但尚未從成分-組織-制備工藝和性能這一角度進行系統(tǒng)的研究，并且也沒有相關合金成功開發(fā)應用的報道。此外，無論是Ho對鎂合金組織性能影響研究還是Mg-Ho基和Mg-RE-Ho基新型稀土鎂合金的開發(fā)，對于Ho與其他元素間相互影響的研究工作均還沒有開展，同時相關合金的鑄造性能和/或塑性成形性能等的研究也基本上是一片空白。很顯然，上述這些存在的問題勢必會極大影響含Ho鎂合金的研究開發(fā)及其應用。因此，在今后的工作中需要借鑒含其他稀土元素如Y和Gd等的鎂合金的研究經(jīng)驗，圍繞上述問題有針對性的開展工作?？梢灶A計，隨著這些問題的逐步解決，含Ho鎂合金的研究開發(fā)步伐必將大大加快，從而推動其在不同領域的應用。

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(責任編輯何杰玲)

CurrentResearchStatusandDevelopmentofHo-ContainingMagnesiumAlloys

ZOU Jing1, YANG Mingbo1,3, WU Ruoyu1, BI Yuan1, LI Zhongsheng2

(1.Materials Science and Engineering College, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2.Southwest Technique and Engineering Institute, Chongqing 400039, China; 3.Chongqing Industrial Technology Synergy Innovation Center for Precision forming integrated manufacturing，Chongqing 400050, China)

Ho-containing magnesium alloys are thought as a potential magnesium alloys series, at present, the research and development about this series alloys have

much attention all over the world, and consequently some researches have been carried out. The latest research and development status of this series magnesium alloys, especially the effects of Ho addition on microstructure and mechanical properties of magnesium alloys and the development about Mg-Ho and Mg-RE-Ho based new type rare earth magnesium alloys, were reviewed, and the existing problems and the development trendance were also analyzed and pointed out respectively.

magnesium alloys; rare earth Mg alloys; Ho；Mg-Ho based alloys；Mg-RE-Ho based alloys

2017-09-10

重慶市百千萬工程領軍人才培養(yǎng)計劃第三批人選支持項目

鄒靜(1992—)，女，重慶江津人，碩士研究生,主要從事高性能鎂合金研究;通訊作者 楊明波(1971—)，男，博士，教授，E-mail:yangmingbo@cqut.edu.cn。

鄒靜，楊明波，吳若愚，等.含Ho鎂合金的研究現(xiàn)狀及最新進展[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(11):80-87.

formatZOU Jing, YANG Mingbo, WU Ruoyu,et al.Current Research Status and Development of Ho-Containing Magnesium Alloys[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):80-87.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.012

TG146.2

A

1674-8425(2017)11-0080-08

《重慶理工大學學報(自然科學)》再次入選“中國科技核心期刊” 近日，科技部中國科學技術(shù)信息研究所發(fā)布了2017年中國科技論文統(tǒng)計結(jié)果。經(jīng)過對核心總被引頻次、核心影響因子、核心他引率等多項學術(shù)指標綜合評定及同行專家評議推薦，《重慶理工大學學報(自然科學)》再次入選“中國科技核心期刊”(中國科技論文統(tǒng)計源期刊)。據(jù)中國科學技術(shù)信息研究所編制出版的2017年版《中國科技期刊引證報告(核心版)》“2016年自然科學綜合大學學報類期刊主要指標”：《重慶理工大學學報(自然科學)》的“核心總被引頻次”為895，在59種同類核心期刊中排名第10；“核心影響因子”為0．602，在59種同類核心期刊中排名第11。