被称为新材料“宝库”的稀土, 作为一种特殊功能材料, 能够大幅度地提高其它产品的质量和性能, 号称现代工业的“维生素”, 不仅广泛用于冶金、石油化工、玻璃陶瓷、毛纺、革和农业等传统产业, 而且在荧光、磁性、激光、光纤通讯、贮氢能源、超导等材料领域有着不可缺少的作用, 直接影响着光学仪器、电子、航空航天、核工业等新兴高技术产业发展的速度和水平。这些技术成功应用于军事技术, 极大地促进了现代军事技术的发展。
稀土新材料在现代军事技术中所发挥的特殊作用, 广泛引起各国政府和专家的高度关注, 如被美国、日本等国家有关部门列为发展高技术产业和军事技术的关键元素。
【资料图】
严格讲，所有的稀土元素都有一定的军事用途，但在国防和军事领域发挥最关键作用的应该是激光测距、激光制导、激光通讯等领域的应用。
1 稀土钢、稀土球墨铸铁在现代军事技术上的应用
1.1 稀土钢在现代军事技术上的应用
作用包括净化变质和合金化两个方面, 即主要是脱硫、脱氧和去除气体, 消除低熔点有害杂质的影响, 细化晶粒和组织, 影响钢的相变点从而提高钢的淬透性和力学性能等, 军工科技人员利用稀土的这一性质, 研制了不少适于兵器使用的稀土材料。
1.1.1 装甲钢
早在60 年代初期, 我国兵器工业就开始了稀土在装甲钢和炮钢上的应用研究, 先后生产了601、603、623 等稀土装甲钢, 开创了我国坦克生产中的关键原材料立足于国内的新纪元。
1.1.2 稀土碳素钢
60 年代中期, 我国又在原某种优质碳素钢中加入0.05% 的稀土, 制成了稀土碳素钢。这种稀土钢较原碳素钢的横向冲击值提高了70% ～100% , - 40 ℃时的冲击值提高近1 倍。采用该钢制造的大口径药筒经靶场射击试验证明, 完全能满足技术要求, 目前我国已定型投产, 实现了我国在药筒材料方面以钢代铜的多年夙愿。
1.1.3 稀土高锰钢和稀土铸钢
稀土高锰钢用于制造坦克履带板, 稀土铸钢用于制造高速脱壳穿甲弹的尾翼、炮口制退器和火炮结构件, 可减少加工工序, 提高钢材的利用率, 并能达到战术技术指标。
1.2 稀土球墨铸铁在现代军事技术的应用
过去, 我国前膛弹弹体材料均采用以优质生铁加入30% ~ 40% 的废钢而制成的半钢性铸铁, 由于其强度低、脆性大、爆炸后的有效杀伤破片数量少且不锋利以及杀伤威力弱等原因,一度束缚了前膛弹弹体的发展。自1963 年后,采用稀土球墨铸铁制造各种口径的迫击弹, 使其力学性能提高1 ~ 2 倍, 有效杀伤破片数量成倍增加, 破片刃口锋利, 大大提高了杀伤威力。我国用这种材料制造的某型加农炮炮弹和野战炮炮弹战斗壳体, 其有效杀伤破片数和密集杀伤半径比钢质壳体略胜一筹。
2 镁、铝等有色稀土合金在现代军事技术上的应用
稀土具有很高的化学活性和较大的原子半径, 加入到有色金属及其合金中, 可细化晶粒、防止偏析、除气、除杂和净化以及改善金相组织等作用, 从而达到改善机械性能、物理性能和加工性能等综合目的。国内外材料工作者利用稀土的这一性质, 研制出了新型稀土镁合金、铝合金、钛合金、高温合金, 这些产品在歼击机、强击机、直升机、无人驾驶机、以及导弹卫星等现代军事技术上获得了广泛的应用。
2.1 稀土镁合金
稀土镁合金比强度较高, 能减轻飞机重量,提高战术性能, 具有广泛的应用前景。中国航空工业总公司(以下简称中航总) 研制的稀土镁合金包括铸造镁合金及变形镁合金约有10 个牌号, 很多牌号已用于生产, 质量稳定。例如:以稀土金属钕为主要添加元素的ZM 6 铸造镁合金已扩大用于直升机后减速机匣、歼击机翼肋及30 kW 发电机的转子引线压板等重要零件。中航总与有色金属总公司联合研制的稀土高强镁合金BM 25 已代替部分中强铝合金, 在强击机上获得应用。
2.2 稀土钛合金
70 年代初, 北京航空材料研究院(简称:航材院) 在Ti— A1— M o 系钛合金中用稀土金属铈(Ce) 取代部分铝、硅, 限制了脆性相的析出, 使合金在提高耐热强度的同时, 也改善了热稳定性能。以此基础上, 又研制出了性能良好的含铈的铸造高温钛合金ZT3。它与国际同类合金相比, 在耐热强度及工艺性能方面均具有一定的优势。用它制造的压气机匣用于W PI3Ⅱ发动机, 每架飞机减重达39 kg, 提高推重比1.5% , 此外减少加工工序约30% , 取得了明显的技术经济效益, 填补了我国航空发动机在500 ℃条件下使用铸钛机匣的空白。研究表明,含铈的ZT3 合金组织中存在着细小的氧化铈质点。铈化合了合金中的一部分氧, 形成了难熔的、高硬度的稀土氧化物质点Ce2O3。这些质点在合金形变过程中阻碍了位错运动, 提高了合金高温性能, 铈夺取了一部分气体杂质(尤其是在晶界上的), 就有可能在使合金强化的同时, 保持良好的热稳定性能。这是在铸造钛合金中应用难溶质点强化理论的首次尝试。此外航材院在钛合金溶模精密铸造工艺中,经多年研究, 采用了特殊的矿化处理技术, 研制出了稳定廉价的氧化钇砂料与粉料, 它在比重、硬度和对钛液的稳定性上, 都达到了较好的水平, 而在调节控制壳料浆性能上, 表现出更大的优越性。用氧化钇型壳制造钛铸件的突出优点是: 在铸件质量和工艺水平与钨面层工艺相当的条件下, 能制造比钨面层工艺更薄的钛合金铸件。目前, 该工艺已广泛用于制造各种飞机、发动机及民品铸件。
2.3 稀土铝合金
中航总研制的含稀土耐热铸造铝合金HZL206, 与国外含镍的合金比较, 具有优越的高温和常温力学性能, 并已达到国外同类合金的先进水平。现已用于直升机和歼击机工作温度达300 ℃的耐压阀门, 取代了钢和钛合金。减轻了结构重量,已投入批量生产。稀土铝硅过共晶ZL117 合金在200～300℃下的拉伸强度超过西德活塞合金KS280 和KS282, 耐磨性能比常用活塞合金ZL108 提高4～5 倍, 线膨胀系数小, 尺寸稳定性好, 已用于航空附件KY — 5,KY — 7 空压机和航模发动机活塞。稀土元素加入铝合金中, 明显改善显微组织和机械性能。稀土元素在铝合金中的作用机制为: 形成分散分布, 细小的铝化合物起着显著的第二相强化作用;稀土元素的加入起到了除气净化作用,从而减少合金中气孔的数量, 提高合金的性能;稀土铝化合物作为异质晶核细化晶粒和共晶相,也是一种变质剂; 稀土元素促进了富铁相的形成和细化, 减少了富铁相的有害作用。α— A1中铁的固溶量随稀土加入量的增加而减少, 也对提高强度和塑性有利。
3 稀土燃烧材料在现代军事技术上的应用
3.1 纯稀土金属
纯稀土金属因其化学性质活泼, 极易同氧、硫、氮作用生成稳定的化合物, 当受到剧烈摩擦与冲击发生火花时, 可引燃易燃物。因此,早在1908 年它就被制成打火石。现已查明, 17种稀土元素中有铈、镧、钕、镨、钐和钇等六种元素具有特别良好的纵火性能。人们将稀土金属的纵火性制成了各式燃烧武器, 例如美国“马克— 82 型”227 kg 航弹采用稀土金属内衬,除了产生爆炸杀伤效应处, 还产生纵火效应。美国空对地“阻尼人”火箭战斗部内装108 个稀土金属方棒作内衬, 取代部分预制破片, 静爆破试验证明, 其点燃航空油料的能力比无内衬的高44% 。
3.2 混合稀土金属
由于纯稀土金属的价格较为昂贵, 各国在燃烧武器中广泛采用价廉的复合稀土金属。复合稀土金属燃烧剂经高压装填于金属壳体中,燃烧剂密度为(1.9 ~ 2.1)×103 ㎏ /m 3, 燃烧速度1.3 ～1.5 m m /s, 火焰直径约500 m m , 火焰温度高达1 715～2 000 ℃。其燃烧后炽热体炽热持续时间长于5m in。美军在侵越战争中,用发射器发射的一种40 m m 纵火榴弹, 其内装填的引燃内衬就用混合稀土金属制成的。当弹体爆炸后, 每一片带有引燃内衬的破片都可引燃目标。当时该弹的月产量达20 万发, 最高达26 万发。
3.3 稀土燃烧合金
重量为100 g 的稀土燃烧合金可形成200 ~3 000 个火种, 覆盖面积大, 与穿甲弹、破甲弹的杀伤半径相当。为此, 发展燃烧威力的多功能弹药成为目前中外弹药发展的主攻方向之一。对于穿甲弹和破甲弹, 其战术性能要求在击穿敌坦克装甲之后, 还能将其油料、弹药引燃,以彻底摧毁坦克。对于榴弹则要求在其杀伤范围内引燃军需物资和战略设施等。据悉, 美国制造的一种塑料稀土金属燃烧弹, 其弹体由玻璃纤维增强的尼龙制成, 内装混合稀土合金弹芯, 用于对付装有航空燃料及类似的目标具有较佳效果。
4 稀土材料在军事防护与核技术上的应用
4.1 在军事防护技术上的应用
稀土元素具有防辐射特性。美国国家中子截面中心采用高分子材料为基材,添加或不添加稀土元素制成了两种厚度为10 m m 的板材进行防辐射试验。结果表明, 稀土高分子材料的热中子屏蔽效果优于无稀土高分子材料5 ~ 6倍。其中添加钐、铕、钆、镝等元素的稀土材料的中子吸收截面最大, 具有良好的俘获中子的作用。目前, 稀土防辐射材料在军事技术中的主要应用包括以下几个方面。
4.1.1 核辐射屏蔽
美国采用1% 硼和5% 的稀土元素钆、钐和镧, 制成厚度为600m m 的防辐射混凝土, 用于屏蔽游泳池式反应堆裂变中子源。法国采用石墨为基材添加硼化物、稀土化合物或稀土合金,研制成一种稀土防辐射材料。这种复合屏蔽材料的填料要求分布均匀并制成预制件, 根据屏蔽部位的不同要求, 分别置于反应堆通道的四周。
4.1.2 坦克热辐射屏蔽
它由四层单板组成, 总厚度为5 ~ 20 cm 。第一层用玻璃纤维增强塑料制成,采用无机粉末添加2% 的稀土化合物为填料, 以阻滞快中子、吸收慢中子; 第二层和第三层, 是在前者之中再加入硼石墨和聚苯及占填料总量10% 的稀土元素, 以阻滞中能中子和吸收热中子; 第四层采用石墨代替玻璃纤维, 加入含25% 稀土化合物, 吸收热中子。
4.1.3 其它
将稀土防辐射涂料涂在坦克、舰艇、掩蔽部和其它军事装备上, 可以起到防辐射的作用。
4.2 在核技术上的应用
稀土氧化钇可用作沸水反应堆(BW R) 中铀燃料的可燃吸收体。在所有元素中, 钆吸收中子的能力最强,每个原子约4 600 靶, 每个自然钆原子在失效前平均吸收4 个中子。当与可裂变的铀混合时,钆可促进燃烧, 降低铀的消耗并提高能量输出。氧化钆不象碳化硼那样产生有害的副产品氘,在核反应时既能与铀燃料又能与它的包覆材料相配。用钆代替硼的好处是钆能与铀直接混合,以防止核燃料棒膨胀。据统计, 目前全世界计划兴建的核反应堆149 座, 其中115 座压水堆应用稀土氧化钆。稀土钐、铕和镝已用作中子增殖反应堆的中子吸收剂。稀土钇在中子中俘获截面小, 可用作熔盐反应堆的管材。添加稀土钆和镝的薄箔可用作航天、核工业工程中中子探场仪, 少量的稀土铥和铒用作密封管中子发生器的靶材料, 稀土氧化铕—铁金属陶瓷用于制作改进型反应堆控制支承板。稀土钆还可以用作防中子弹辐射的涂料添加剂, 涂有含氧化钆的特殊涂料的装甲车可防中子辐射。稀土镱被用于测量地下核爆炸所引起的地应力的设备中。当稀土镱受力时, 电阻加大,电阻的变化可用来计算所受的压力。把气相沉积、交错涂敷的稀土钆箔和一个应力敏感元件相联,可用于测量很高的核应力。
5 稀土永磁材料在现代军事技术上的应用
被誉为新一代磁王的稀土永磁材料, 是目前已知的综合性能最高的一种永磁材料。它比70 年代在军事装备中使用的磁钢的磁性能高100 多倍。目前, 它已成为现代电子技术通讯中的重要材料, 用在人造地球卫星、雷达等方面的行波管、环行器中, 因此, 在军事上有其重要的意义。
钐钴磁体和钕铁硼磁体在导弹制导系统中用于电子束致聚焦, 磁体是电子束的主要聚焦器件, 它将数据传递至导弹的操纵面。在导弹的每一个聚焦制导装置中约在5~10 磅(2.27 ~4.54 ㎏) 磁体。此外, 稀土磁体还用于驱动电动机, 转动制导导弹的方向舵, 其优势在于较原用的铝镍钴磁性强、重量轻。
6 稀土激光材料在现代军事技术上应用
激光是一种新型光源, 它具有很好的单色性、方向性和相干性, 并且可达很高的亮度。激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止, 大约90% 的激光材料都涉及到稀土。例如:以钇铝石榴石晶体是当今普及的一种在室温下可获得连续高功率输出的激光器。固体激光器在现代军事上的应用包括以下几个方面。
6.1 激光测距
美、英、法、德等国研制的掺钕钇铝石榴
石激光测距机可测距离达4 000～20 000 m , 精确5 m 。美国的M I, 德国的“豹”Ⅱ、法国的“勒克莱尔”, 日本的90 式、以色列的“梅卡瓦”, 还有英国最新研制的“挑战者— 2”坦克等武器系统都采用了这类激光测距机。目前,有些国家正在研制新一代的人眼安全固体激光测距机, 其工作波段为1.5～2.1μm 。美国、英国的采用掺钬氟化钇锂激光器研制出手持式激光测距机, 其工作波段为2.06μm , 测距达3 000 m 。美国还与国际激光公司联合采用掺铒氟化钇锂激光器, 研制出波长为1.73 μm 的激光测距机, 并大量装备部队。我国的军用测距机激光波长1.06 μm , 测距200 ～7 000 m 。我国在发射远程火箭、导弹和试验通信卫星中均通过激光电视经纬仪在靶场测量中取得重要数据。
6.2 激光制导
激光制导炸弹是用激光进行终端制导。对目标照射激光采用每秒发出几十个脉冲的Nd·YAG 激光器, 脉冲进行编码, 光脉冲能自导导弹响应, 从而可防止导弹发射的干扰和敌方设置的障碍。如称作“灵巧炸弹”的美军GBV — 15滑翔炸弹。同理, 也可用于制造激光制导炮弹。
6.3 激光通讯
除Nd·YAG 可用作激光通信外, 四磷酸钕锂晶体(LNP) 的激光输出有偏振性, 易于调制, 被认为是最有希望的微型激光材料之一,适于光纤通信的光源, 并可望在集成光学和宇宙通信方面获得应用。另外, 钇铁石榴石(Y3Fe5O12) 单晶可用微波集成工艺来作各种静磁表面波器件, 使器件集成化, 小型化, 在雷达遥控遥测、导航及电子对抗中有特殊用途。
7 稀土超导材料在现代军事技术上的应用
当某种材料在低于某一温度时, 出现电阻为零的现象即超导现象, 该温度是临界温度(Tc)。超导体是一种抗磁体, 低于临界温度时,超导体排斥任何试图施加于它的磁场, 这就是所谓的迈斯纳效应。在超导材料中添加稀土元素可以使临界温度Tc 大大提高。这就大大推动了超导材料的研制和应用的发展。80 年代, 美、日等发达国家先后在氧化钡、氧化铜化合物中添加了一定量的镧、钇、铕、铒等稀土氧化物, 经混匀、压制及烧结而成超导陶瓷材料, 使超导技术的广泛应用特别是在军事上的应用更为广阔。
7.1 超导集成电路
近年来, 国外开展了超导技术在电子计算机上的应用研究, 并用超导陶瓷材料研制成超导集成电路, 若用这种集成电路制造超导计算机, 不仅体积小、重量轻、使用方便, 而且运算速度比半导体计算机快10 ~ 100 倍, 每秒浮点运算达3 000 亿次到10 000 亿次。因而, 美军方预言: 超导计算机一旦问世, 即成为部队C1 系统战斗力的“倍增器”。
7.2 超导磁探技术
用超导陶瓷材料制成的磁敏感元件体积小,便于实现集成化、阵列化, 可组成多渠道、多参数的探测系统, 使单位信息容量大大增加,并使磁探仪的探测距离和精度大为提高。用超导磁探仪不仅可以发现坦克、车辆及潜艇等活动目标, 而且能测定其尺寸, 从而使反坦克和反潜战等战术和技术发生重大变化。
据悉, 美国海军已确定采用这种稀土超导材料研制一种遥感卫星, 用来演示和改进传统的遥感技术。这种名叫海军地球图像观测仪的卫星在2000 年已经发射。
8 稀土超磁致伸缩材料在现代军事技术上的应用
稀土超磁致伸缩材料是国外八十年代末新开发的新型功能材料。主要是指稀土—铁系化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值, 其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102 ~ 103 倍, 因此被称为大或超磁致伸缩材料。在所有商品材料中, 稀土超磁致伸缩材料是在物理作用下应变值最高、能量最大的材料。特别是铽镝铁磁致伸缩合金(Terfenol—D)的研制成功, 更开辟了磁致伸缩材料的新时代。当Terfenol—D 置于一个磁场中, 其尺寸的变化比一般磁性材料大, 这种变化使一些精密机械运动得以实现。目前广泛用于多种领域, 从燃料系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领域。Terfenol—D 材料技术的发展使电—机械转换技术获得突破性进展。并对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要的作用。稀土磁致伸缩材料在现代军事上的应用主要有以下几个方面:
8.1 声纳
一般的声纳发射频率都在2 kHz以上, 但是低于此频率的低频声纳有其特殊的优越性: 频率越低、衰减越小、声波传得越远, 同时频率低受到水下回声屏蔽的影响就越小, 用Terfenol— D 材料制做的声纳可以满足大功率、小体积、低频率的要求, 所以发展得较快。
8.2 电—机换能器
主要用于小型受控动作器件———致动器。包括控制精度达纳米级, 以及伺服泵、燃料注入系统、制动器等。用于军用汽车、军用飞机航天器、军用机器人等。
8.3 传感器和电子器件
如袖珍测磁仪、探测位移、力、加速度的传感器以及可调谐的表面声波器件等。后者用于雷、声纳的相位传感器和计算机的存储元件。
9 其他材料
其他如稀土发光材料、稀土贮氢材料、稀土巨磁阻材料、稀土磁致冷材料、稀土磁光存储材料等都在现代军事上有了成功的应用, 大大地提高了现代武器的战斗力。例如稀土发光材料成功应用于夜视设备, 在夜视镜中, 稀土荧光粉将光子(光能量) 转化成电子, 电子在通过光纤显微道平面的几百万个小孔被增强,互相从壁上来回反射, 释放出更多的电子。在尾端的另一些稀土荧光粉则将电子重新转化成光子, 于是用目镜就能看到图像了。这一过程与电视屏幕很相似,正是稀土荧光粉将某种彩色图像发射至电视屏幕上。美国工业界通常使用五氧化二铌, 但是, 要使夜视系统获得成功, 稀土元素镧是十分关键的成分。海湾战争中,多国部队就是用这种夜视镜一次又一次地观测伊军的目标, 以小小的代价换取大胜利。
10 结语
稀土工业的发展, 有力地推动了现代军事技术的全面进步, 军事技术的提高,又带动了稀土工业的繁荣发展。笔者相信, 随着世界科学技术的飞速前进, 稀土产品必将以其特殊的功能, 在现代军事技术的发展中, 发挥更大的作用, 并为稀土行业本身带来巨大的经济效益和突出的社会效益。
一、Y（钇）
二、Ce（铈）
三、Nd(钕)
四、Gd(钆)
五、Er(铒)
稀土在铸造铝合金中的应用国外开展的较早，我国虽然从20世纪60年代才开始这方面的研究和应用，但发展很快，从机理研究到实际应用都做了大量工作，并取得了一些成果。伴随稀土元素的加入，铝合金的力学性能、铸造性能、电学性能等都得到了极大地改善。在新材料领域，稀土元素丰富的光学、电学及磁学特性也发挥着重要的作用，用来制作稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土贮氢材料等。
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稀土在铝及铝合金中的作用机理
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01
稀土的净化作用
图1 未添加RE与添加w(RE)=0.3%的7075合金SEM形貌
a.未添加RE; b.添加w(RE)=0.3%
02
稀土的变质作用
图2 不同RE加入量合金显微组织图
a.RE加入量为0; b.RE加入量为0.3%; c.RE加入量为0.7%
03
稀土的微合金化作用
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稀土对铝及铝合金性能的影响
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01
稀土对合金综合力学性能的影响
图3 拉伸断口形貌
a.未加入RE; b.加入0.3%RE
02
稀土对合金高温性能的影响
03
稀土对合金光学性能的影响
04
稀土对合金电学性能的影响
05
稀土对合金耐腐蚀性能的影响
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稀土铝合金的制备技术
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稀土在铝合金及其它合金中多以微量元素形式加入，稀土化学活性很高、熔点高、高温下易氧化烧损等，这给稀土铝合金的制备和应用研究造成了一定的困难。在长期的试验研究中，人们不断探索稀土铝合金的制备方法。目前制备稀土铝合金的生产方法主要有混熔法、熔盐电解法和铝热还原法。
01
混熔法
混熔法是将稀土或混合稀土金属按比例加到高温铝液中，制得中间合金或应用合金，将中间合金和按计算余量剩下的铝再一起熔炼、充分搅拌、精炼。
02
熔电解法
熔盐电解法是在电解铝时，向工业铝电解槽中加入稀土氧化物或稀土盐类，同氧化铝一起电解，以制取稀土铝合金。熔盐电解法在我国发展比较快，一般可以有两种途径即液态阴极法和电解共析法，目前已经发展到了可以直接把稀土化合物加入工业铝电解槽里，用共析法电解氯化物熔体生产出稀土铝合金。
03
铝热还原法
由于金属铝具有很强的还原能力，铝又可以与稀土形成多种金属间化合物，因此可以采用铝作还原剂来制备稀土铝合金。其主要化学反应如下式表示:
RE2O3 + 6Al→2REAl2 + Al2O3
其中，稀土原料可用稀土氧化物或稀土富渣；还原剂可采用工业用纯铝或硅铝等；还原温度1400℃～1600℃。早期是在有助热剂和助熔剂存在的条件下进行的，而且还原温度较高都会产生很多问题；近年来，研究人员研究出一种新的铝热还原法，在较低温度(780℃)，在氟化钠、氯化钠体系中完成的铝热还原反应，避免了原来高温产生的问题。
◆◆
稀土铝合金的应用进展
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01
稀土铝合金在电力行业中的应用
由于稀土铝合金具有导电性好、载流量大、强度高、耐磨损、易加工、寿命长等优点可用于制造电缆线、架空输电线、线芯、滑接线和特殊用途的细导线。在Al－Si合金系中加入微量的RE可以提高导电性，这是因为铝合金中硅是含量较高的杂质元素对电性能的影响较大，而添加适量的稀土可以改善硅在合金中的存在形态和分布情况，能够有效改善铝的电性能；在耐热铝合金导线中加入少量的钇或富钇混合稀土后，不仅保持良好的高温性能还可以提高导电率；稀土可以提高铝合金系的拉伸强度、耐热性和耐腐蚀性，采用稀土铝合金的电缆、导线可以加大架设电缆线铁塔的跨距，并延长电缆的使用寿命。
02
稀土铝合金在建筑行业中的应用
在建筑行业应用最广泛的是6063铝合金，加入0.15%～0.25%的稀土，可以明显改善铸态组织和加工组织，可以提高挤压性能、热处理效果、力学性能、耐蚀性能、表面处理性能和色调。研究发现，在6063铝合金中稀土主要分布在α－Al中和相界、晶界以及枝晶间，它们固溶在化合物中或以化合物的形式存在，细化枝晶组织和晶粒，使未溶共晶尺寸和韧窝区中的韧窝尺寸显著变小，分布均匀，密度增加，使合金的各项性能得到不同程度的改善，如型材强度提高20%以上，延伸率提高50%，腐蚀速率降低一倍以上，氧化膜厚度增加5%～8%，着色性能提高3%左右。因此RE－6063合金建筑型材获得广泛应用。
03
稀土铝合金在日用制品中的应用
在日用铝制品用纯铝和Al-Mg系等铝合金中添加微量稀土，能明显提高力学性能、深冲性和耐蚀性。采用Al-Mg-RE合金制造的铝壶、铝锅、铝盘、铝饭盒、铝家具支架、铝自行车和家电零部件等生活日用品，与未加稀土的铝合金制品相比，耐腐蚀性提高2倍多，重量减轻10%～15%，成品率增加10%～20%，生产成本降低10%～15%，且具有更好的深冲和深加工性能。目前，稀土铝合金日用品获得了广泛的应用，产品大幅增加，畅销国内外市场。
04
稀土铝合金在其它方面的应用
在用量最多的铝硅系铸造合金中，加上千分之几的稀土，就能明显改善合金的机械加工性能，已有多种牌号的产品用于飞机、船舶、汽车、柴油机、摩托车和装甲车(活塞、齿轮箱、汽缸和仪器仪表等器部件)等方面。在研究和应用中发现，Sc是优化铝合金组织性能的最有效元素，对铝有很强的弥散强化、细晶强化、固溶强化和微合金强化作用，可以提高合金的强度、硬度、塑性、韧性、抗蚀性、耐热性等。Sc-Al系合金已应用于航天航空、舰船、高速列车、轻型汽车等高新技术工业。美国航天局开发的C557Al-Mg-Zr-Sc系钪铝合金具有高强度和高温与低温稳定性已应用于飞机机身与飞机结构件；俄罗斯研究开发的0146Al-Cu-Li-Sc系合金已应用于航天器低温燃料贮箱。
稀土在铜及铜合金中的作用
表1稀土元素在铜熔液中与氧、硫元素的热力学性质研究结果（1200℃）
表2某些杂质元素与稀土元素生成的化合物的熔点
1
稀土的脱氧、除气作用
2
脱氢
3
除杂
4
稀土在铜及铜合金中的变质作用
稀土对铜及铜合金组织的影响
1
细化组织
2
稀土对夹杂物组织的影响
图1 含稀土的铜合金中杂质的形貌
图2 晶界处析出的富RE相
如在铍铜合金中未加稀土前，夹杂物多为不规则棱角形的Cu2O和Cu2S，当稀土增至0.05%时部分夹杂物已球化;当增加至0.32%时，夹杂物全部球化，稀土夹杂物取代了Cu2O和Cu2S，使夹杂物由固溶态变为稀土化合物析出。
稀土对铜和铜合金性能的影响
1
加工性能
2
机械性能和导电性能
图3 合金的电阻率与稀土含量的关系
3
抗氧化性和耐腐蚀性
图4 400℃时氧化增重与时间的关系
图5 在850℃、氧化22h后的含Ce铜的表面形貌
图6 合金试样的腐蚀形貌图
4
耐磨性
稀土和铜元素可以形成硬度较高、分布均匀的金属间化合物，这些化合物成为位错运动的阻力;而且稀土可以有效地改善夹杂物的存在形式和分布，减少其弱化晶界的可能，减少了承受载荷时沿晶界开裂的几率，因而提高了耐磨性。含有稀土的铸造黄铜的组织为α相基体上分布着β相及κ相(FeAl)，其中α相较软，保证了铜合金具有一定的塑性，而β相及κ相较硬，提高了合金的强度和耐磨性，同时组织中还存在稀土与杂质反应而形成的圆球状金属间化合物，这种金属间化合物具有很高的硬度。因此含有稀土的铸造黄铜具有较高的硬度及良好的塑性及韧性，可以缩短跑合阶段的时间，延长稳定磨损的阶段，从而达到减少磨耗，延长工件使用寿命的目的。在高锰铝青铜中添加Ce和B，可使其干摩擦磨损减少20%左右，润滑摩擦磨损量减少50%左右。
镁及其合金作为现阶段最轻的金属结构材料，具有低密度、高比强度和比刚度、高阻尼性、良好的导热性、优良的机加工性、稳定的零件尺寸、易回收等优点，在航空、航天、汽车工业、运输、电子、通讯、计算机等行业有广泛的应用。
镁合金由于力学性能不够高、耐蚀性差等不足，限制了镁合金在生产生活中的广泛应用，而当添加少量稀土后，镁合金各种性能可得到大幅提升。稀土元素位于元素周期表的Ⅲ B族，原子的最外层电子结构相同，都是2个电子，次外层电子结构相似，倒数第3层4f轨道上的电子数从0～14各不相同；化学性能相差不大，化学性质都很活泼。镁合金和稀土元素都是密排六方晶体结构，因此稀土元素在镁合金中都有较大的固溶度。稀土元素中除了Sc以外，其余的16个元素都可以与Mg组成共晶相，大多数的稀土元素在Mg中的固溶度都是很大的，表1列出了稀土元素在镁中的最大固溶度及与镁基固溶体共存的化合物相。
表1 稀土元素在镁中的最大固溶度及与镁基固溶体共存的化合物相
稀土元素对Mg合金净化和细化晶粒的影响
镁元素化学性质活泼，易与O2和H2O反应形成MgO，使得镁合金中含有氧化夹杂物，降低了镁合金的质量和使用性能。氧化夹杂物一般存在于镁合金铸件的基体或晶界上，导致合金产生疲劳裂纹，且降低了力学性能和耐腐蚀性能等。而稀土元素的添加，不仅可以减少夹杂物的数量，还能细化晶粒，提高合金的性能。
当稀土元素Ce添加到AM50镁合金中，Ce起到净化合金的作用，减少了如Fe、Ni等杂质。Y的添加能够减小挤压Mg-Zn-Zr合金的晶粒尺寸，晶粒尺寸从不含Y的14.2μm减小到3%（质量分数）的3.2μm，降幅高达77%。
稀土元素对Mg合金力学性能的影响
01
Mg-Al-RE系
Mg-Al系镁合金是目前牌号最丰富、应用最广的镁合金系列，添加到Mg-Al系镁合金的稀土元素主要有Ce、Y、Nd等。不含稀土的Mg-Al基合金主要有α-Mg枝晶和分布于枝晶间的金属间化合物β-Mg17Al12相；而当Mg-3%Al基合金添加稀土元素后，α-Mg枝晶变细，金属间化合物β-Mg17Al12相由Al11RE3和Al2RE所替代。Al11RE3和相基本稳定在200℃，当温度继续升高时，Al11RE3相会转变为Al2RE相。这也说明了，Al11RE3的稳定性是有条件的。
添加稀土元素后，不管是在室温还是200℃，合金的强度均增加，延伸率也一直保持较高水平。添加稀土元素后强度提高可能与以下因素有关：首先，大量的金属间化合物Al11RE3的形成，对枝晶边界的强化起到了很大的作用；其次，添加稀土元素细化了枝晶臂，促进强度的提高；最后，添加稀土元素，特别是Y，会通过固溶强化提高Mg基体的强度。
我们通过Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn和Mg-Al-Sn系列详细介绍稀土元素对Mg-Al系合金力学性能的影响。表2列出了部分典型的添加稀土的Mg-Al系合金的状态及力学性能。
表2 Mg-Al-RE系合金的力学性能
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Mg-Al-Zn-RE系
目前工业上最常用的Mg-Al系镁合金是Mg-Al-Zn系列，其中性能比较好的是AZ91铸造镁合金，AZ31和AZ61变形镁合金。AZ91镁合金的成形性能很好，广泛应用于压铸行业，可以压铸生产出结构复杂的工件；AZ31镁合金和AZ61镁合金有较强的变形能力，被用来生产各种镁合金锻压件和挤压件。
稀土元素Y对AZ91合金的性能有较大的影响。未添加Y的铸态AZ91合金中主要是连续的共晶相Mg17Al12，当添加Y后，析出物发生了很大的改变：当Y的添加量为0.3%（质量分数）时，合金中没有发现Y的析出物；当Y的添加量在０0.6%~0.9%（质量分数）之间时，新的Al2Y相形成，而Mg17Al12相的生长形貌发生了变化；当Y的添加量进一步增多到1.2%（质量分数）时，Al2Y相更粗糙，而Mg17Al12相转变为棉花状结构。
图１给出了随着Y添加对AZ91合金强度的影响的关系。从图１可以看出，不管是室温还是200℃的有效温度下，添加Y的AZ91-Y合金强度高于未添加的AZ91合金。屈服强度和抗拉强度都随着Y含量的增加而增加；当Y含量在0.6%~0.9%之间时，强度值达到最大；但当Y含量超过0.9%，强度有减弱的趋势。强度增强的原因可能是：应力从比较软的镁合金基体有效地转移到了强化相Al2Y相，使得强度增大；稳定的Al2Y相成为阻碍位错滑移的障碍，使更多的位错聚集在Al2Y相附近，增强了位错强化。同样，对于300℃下挤压的AZ91D合金及添加稀土元素的AZ91D+Y合金，稀土元素Y能够提高合金的强度。当Y的含量为2%（质量分数）时，合金的力学性能最好。对比AZ91合金，Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1Nd合金具有更优的拉伸强度，其抗拉强度可以达到481MPa，但是延伸率较低，只有5%。
图1 Y添加度对AZ91合金强度的影响
研究Gd对Mg-2Al-1Zn性能的影响时发现，室温下Mg-2Al-1Zn-4Gd合金具有最高的屈服强度，而延伸率是最低的。同样在200℃，Mg-2Al-1Zn-4Gd合金也表现出最优的屈服强度和抗拉强度。这说明Mg-2Al-1Zn-4Gd合金有比较好的热稳定性。整体来说，随着温度的升高，合金的拉伸性能减弱，延展性提高。
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Mg-Al-Mn-RE系
Mg-Al-Mn系镁合金主要有AM60A、AM60B、AM50A和AM20等系列。室温下Mg-Al-Mn系镁合金强度不高，不过其脆性低，变形能力强，一般用来制造汽车车轮、方向盘、座椅架等重要零部件。为了提高其强度，可以通过添加稀土元素，如Ce、Y等。
稀土元素Ce对Mg-5Al-0.3Mn合金的力学性能影响较大。不含Ce的Mg-5Al-0.3Mn合金的力学性能很差，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为158,64MPa和8%。随着Ce含量的增多，合金的拉伸性能提高。当Ce的添加量为1.5%时，合金的拉伸性能最好，相对不含Ce的Mg-5Al-0.3Mn合金，其抗拉强度、屈服强度和延伸率的涨幅分别为28.5%,37.5%和150%。但当Ce的添加量进一步增大时，合金的拉伸性能又开始减弱。
当Ce添加到Mg-5Al-0.3Mn合金中，会沿着晶界生成Al11Ce3，Al11Ce3相能够有效地阻碍位错运动和晶界滑移；此外，随着Ce元素的添加，β-Mg17Al12相的形貌细化为颗粒状且体积分数减小，这都是导致Mg-5Al-0.3Mn-1.5Ce合金力学性能提高的重要原因。但当Ce的添加量较大后，其力学性能减弱，这是因为拥有团簇结构的Al11Ce3相大量形成。这种团簇结构使得α-Mg基体分割为很多小的区域。因而，在Al11Ce3相和α-Mg基体界面间容易产生裂缝。因而可以得出，Al11Ce3相的形貌和含量对提高Mg-5Al-0.3Mn合金的力学性能影响重大。
单纯的添加稀土元素对力学性能的提高是有限的，后续的加工处理是提高强度的有效途径。将力学性能最好的Mg-5Al-0.3Mn-1.5Ce合金热轧，热轧后合金的抗拉强度和屈服强度比铸态时均提高，分别为318和225MPa（涨幅分别为57%和156%），但延伸率减小到9%。抗拉强度和屈服强度提高是因为热轧会发生动态再结晶过程，使得晶粒尺寸会显著减小；长针状Al11Ce3相在热轧过程中会断裂成很多小的部分，减缓切削效应；且断裂的Al11Ce3相通过位错的相互作用和变形过程中的钉扎作用能显著提高合金的强度。
研究发现稀土元素Y也能提高Mg-5Al-0.3Mn-xY（x=0,0.3%，0.6%，0.9%（质量分数））合金的拉伸强度和微观硬度。当Y的含量从0增加到0.9%（质量分数）时，铸态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别从179,56MPa和11.8%提高到192,62MPa和12.6%；轧制态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别从293,221MPa和10.3%提高到303,255MPa和17.1%。
合金的微观硬度和拉伸性能提高是因为高熔点（1758K）的Al2Y是合金的主要析出物，相比β-Mg17Al12相，Al2Y相在高温下具有更高的热稳定性。在热轧过程中，Al2Y相可以有效地阻碍升温过程中的位错运动和晶界滑移；在变形中，由于位错增殖和新位错的形成，合金中位错密度增大。随着位错密度的增大，其它位错阻碍位错运动变得更加显著。因此，施加压力需要根据金属变形程度的增加而增加；并且Y的添加和热轧使得晶粒细化，因此力学性能特别是屈服强度提高。
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Mg-Al-Sn-RE系
Sn添加到镁合金中，并与少量的铝结合是非常有用的。Sn不但能提高镁合金的延展性，还能降低热加工时的开裂倾向，对锤锻非常有利。添加到Mg-Al-Sn系镁合金中的稀土元素一般有Ce、Y、Nd等。
室温下稀土元素Ce能显著提高Mg-4Al-2Sn-1Ca合金的拉伸强度和延伸率。这可能是合金内CaMgSn相的细化和含Ce合金的晶粒尺寸变小。室温下，当Ce的添加量为1%（质量分数）时，合金具有最优的力学性能，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可以达到194.95MPa和11.4%。
图2分别表示了Mg-4Al-2Sn、Mg-4Al-2Sn-0.9Y、Mg-4Al-2Sn-0.9Nd、Mg-4Al-2Sn-0.5Y-0.4Nd铸态合金的力学性能，可以看出Y和Nd的相对含量也会影响Mg-4Al-2Sn-xY-yNd（x+y＝0.9%（质量分数））合金的力学性能。从图2可以看出所有合金的屈服强度都在70MPa左右。当Y的含量为0.5%（质量分数），Nd的含量为0.4%（质量分数）时，合金的力学性能最优，其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为70,225MPa和23.2%。
图2 Mg-4Al-2Sn、Mg-4Al-2Sn-0.9Y、Mg-4Al-2Sn-0.9Nd和Mg-4Al-2Sn-0.5Y-0.4Nd合金的力学性能
02
Mg-Zn-RE系
Mg-Zn系合金广泛应用于变形镁合金，具有较好的可时效强化能力。添加到Mg-Zn系合金的稀土元素种类很多，如Y、Er、Gd、Nd、Ce等。添加稀土元素后，合金的力学性能均得到提高，这是因为稀土元素能够细化晶粒，而且在合金中会形成强化相，提高合金的强度。表3列出了部分典型的添加稀土的Mg-Zn系合金的状态及力学性能。
表3 Mg-Zn-RE系的力学性能
在铸态Mg-3.8Zn-2.2Ca合金中添加稀土元素Ce和Gd，加Ce和Gd合金的抗拉强度分别从123.8MPa提高到146.1和130.6MPa，延伸率分别从2.4%提高到3.5%和2.9%。
单纯研究铸态合金添加稀土元素并不能满足合金对强度的需求，越来越多的研究者开始研究变形和添加稀土双重效应对合金性能的影响。对比研究铸态和挤压态Mg-5.0Zn-0.9Y-0.16Zr合金发现，挤压后合金的力学性能得到大幅度改善，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别从168，105MPa和1.8%增强到363,317MPa和12%。力学性能的提高归因于合金挤压后晶粒细化的作用。挤压后的Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce合金的力学性能也得到改善，屈服强度从209MPa增强到232MPa，抗拉强度基本保持不变，延伸率从11.5%增大到14.7%。相比铸态Mg-12Zn-1.5Er合金，挤压态合金的力学性能得到了显著改善，如图3所示。挤压后合金的屈服强度最高可达318MPa，抗拉强度达到359MPa。在典型挤压态Mg-3.5Zn-0.6Gd合金的应力-应变曲线中，可以看出合金具有较优的强度和塑性，即抗拉强度为308MPa，屈服强度为219MPa和延伸率为16.4%。
图3 室温下铸态和挤压态Mg-12Zn-1.5Er合金的应力-应变曲线
在挤压变形过程中，挤压比和挤压温度对添加稀土元素的合金性能也有影响。Qiang Chen等制备了Mg-5.3Zn-1.13Nd-0.51La-0.28Pr-0.79Zr合金，并研究了挤压比和挤压温度对合金性能的影响。研究发现，合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率均与挤压比有关。这个变化可以分为两步，当挤压比从0~9时，抗拉强度、屈服强度、延伸率变化显著，抗拉强度从169MPa提高到309MPa；而当挤压比从9变化到100时，抗拉强度、屈服强度、延伸率的提高很微弱。该作者继续研究了不同挤压温度对合金力学性能的影响，研究表明，随着挤压温度的升高，合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率均减小。当挤压温度为250℃~350℃时，变化不明显，但当挤压温度从350℃变化到400℃时，抗拉强度、屈服强度、延伸率分别从324，278MPa、12%减小到267，208MPa、5%，变化相比别的阶段比较显著。
03
Mg-Li-RE系
Mg-Li合金是镁合金中最轻的系列，加入稀土元素后，通过固溶强化和形成细小弥散的金属间化合物来提高Mg-Li合金的力学性能。在Mg-Li合金中添加的稀土元素种类很多，如Y、Ce、Nd等。表4列出了部分典型的添加稀土的Mg-Li系合金的状态及力学性能。
表4 Mg-Li-RE系的力学性能
Y添加到Mg-7Li合金会形成富Y的α-Mg相和Mg24Y5两种析出物，并且随着Y的含量增加，α-Mg相出现明显细化。综合强度和延伸率，Mg-7Li-3Y合金具有最优的力学性能，即其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为160,144MPa和22%。Y的添加量超过3%（质量分数），强度有微弱增大，但延伸率显著减小。研究Y对Mg-8Li-（1,3）Al合金力学性能的影响发现，轧制态下的LAY831合金拉伸强度达到230MPa，挤压态LAY811合金延伸率达到60%，在塑性变形条件下AlY中间相的形成和α相的减少明显改善合金力学性能。
在Mg-5Li-3Al-2Zn合金中添加稀土元素，Al2RE或Al3RE相生成，AlLi相减少。随着稀土元素的添加，合金的拉伸强度随着添加量的增多而提高，但当添加量多余1.5%（质量分数），拉伸强度变弱。延伸率的变化趋势和拉伸强度一样，当添加量为1.5%（质量分数）时，Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE具有最优的拉伸强度和延伸率，分别为206.5MPa和14.4%。
Nd也能提高合金的拉伸强度和延伸率，当Nd含量为2.0%（质量分数）时，Mg-8Li-3Al合金抗拉强度达到峰值185.95MPa，当Nd含量为1.6%（质量分数）时，延伸率达到峰值16.3%。力学性能提高归因于Nd添加减小了α相尺寸和分布于相界的新相Al2Nd束缚了滑移。
04
其他
还有其它一些添加稀土元素合金的相关性能列出在表5中。对于Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金，随着挤压温度的升高，抗拉强度和屈服强度有轻微的减弱；相反，时效后随着挤压温度的升高，抗拉强度和屈服强度增大。当合金在200℃时效16h，在400℃挤压的合金具有最优的力学性能，即抗拉强度达到400MPa，屈服强度超过300MPa，延伸率达到7%。而Mg-10Gd-2Y-0.5Zr合金在14次的循环挤压-压缩过程后，屈服强度、抗拉强度和延伸率的涨幅分别为20%，8.2%和150%。
表5 其他合金的力学性能
将稀土元素Ｃｅ添加到Mg-3Sn-2Ca合金中，当Ce的添加量达到1.5%（质量分数）及以上，合金的力学性能有较大的提高。当Ce添加量为2%（质量分数）时，室温下抗拉强度、屈服强度和延伸率的增幅分别为24.4%,28.6%和73.7%，150℃时的增幅分别为22.4%,28.8%和56%。稀土元素Y也能提高合金的强度，当添加量为1.5%（质量分数）时，合金的力学性能最优，即室温下抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为150,137MPa和3.2%，增幅分别为18.1%，22.3%和68.4%，相应的150℃时的增幅分别为19.8%,24%和54.9%。
END
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