稀土元素Ce和Y对AZ91D镁合金凝固微观结构和流动性的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of rare earth Ce and Y on solidification microstructure and fluidity of AZ91D magnesium alloy

探究Ce和Y对AZ91D镁合金凝固组织与流动性的影响，发现0.9wt% Ce/Y（3/6）最优，细化α-Mg晶粒至104.6μm，提升合金硬度及流动性。

　　本研究旨在探讨稀土元素Ce和Y对AZ91D镁合金凝固结构及流动性的影响。通过实验分析单个Ce和Y含量在0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 wt%范围内以及混合稀土Ce/Y比例为1/1、3/6、6/3时，对AZ91D镁合金凝固规律、流动性及机械性能的影响。研究结果表明，当Ce和Y的总含量为0.9 wt%，且Ce/Y比例为3/6时，合金的平均晶粒尺寸达到最小值，分别为148.0（±2.0%）、128.9（±2.0%）和104.6（±2.0%）μm。稀土相的形成显著减小了β-Mg??Al??相的尺寸，并改善了其形态。由于晶粒尺寸较小，Ce/Y合金的硬度高于纯Ce或纯Y合金。合金的晶粒细化和硬度提升主要归因于异质形核作用和成分过冷效应。稀土对合金的细化和改性效果顺序为：Ce/Y > Y > Ce > AZ91D。适量添加稀土元素能够改变合金的凝固特性，缩短凝固区间（T_Si），降低枝晶重叠点温度，延迟枝晶重叠率，降低熔体粘度，从而显著提升流动性。Ce含量较高的合金表现出更好的流动性，稀土对合金流动性的提升顺序为：Ce > Y > Ce/Y > AZ91D。稀土元素在细化凝固结构和提升AZ91D镁合金流动性方面具有潜在应用价值。

镁-铝合金因其密度低、比强度高而被广泛应用于轻量化领域。然而，其较大的凝固区间容易导致糊状凝固现象。在凝固过程中，最先形成的枝晶会相互交织，形成网络结构，从而增加熔体粘度并降低流动性。此外，枝晶在凝固过程中的持续生长会加剧晶粒粗化，并影响合金的机械性能。稀土元素是细化镁合金凝固结构、降低粘度、提升流动性的有效手段之一。稀土元素在镁合金中的固溶度较低，能够作为有效的异质形核核心，阻碍晶粒生长并实现晶粒细化。细晶结构可以显著改善合金的机械性能。例如，Al?Y可以作为α-Mg的异质形核核心，实现晶粒细化。混合稀土的添加同样可以起到晶粒细化的作用。张等人在ZL114A合金中添加Ce/Y稀土，发现Al??Ce?和Al?Y与α-Al的晶格失配率分别为7.19%和4.55%。因此，Al?Y可被视为优良的异质形核点，而Al??Ce?则只能作为有效的异质形核点，Y的细化效果优于Ce。另一方面，稀土的添加会在固液界面富集，导致成分过冷，从而抑制晶粒生长。邵等人认为，Al??La?和Al?Y不能作为α-Al晶粒的形核核心，α-Al的细化主要归因于孪晶形成和成分过冷效应。稀土的添加能够显著降低熔体粘度并提升流动性。粘度反映了原子间结合力的强度。在Al-5Ni中添加Ce，粘度降低，显著低于Al-5Ni-Fe和Al-5Ni-Co合金。Ce能够使α-Al相球化，使熔体在晶界处更容易流动。当Y添加到Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.1B合金中时，粘度先增加后减少，随着Y含量的增加。Y能够降低固液界面能和表面张力，改善粘度并促进流动性。Ce和Y的添加可以缩短ZL114A合金的凝固区间，降低共晶点温度，促进α-Al的细化，改善共晶Si的形态和尺寸，抑制其生长和聚集，使粘度低于Ce/Y合金。此外，稀土的添加会导致熔体成分过冷，从而实现晶粒细化，增强熔体在晶粒间的流动，并提升流动性。另一方面，通过稀土对合金凝固结构的细化作用（包括晶粒尺寸和第二相尺寸的调控），可以有效降低固液相温度差，显著缩短合金的凝固区间，并提升流动性。稀土还可以降低合金的液相线温度（T_L）和枝晶重叠温度（T_DCP），延迟枝晶重叠时间（t_DCP），破坏糊状区中的枝晶网络，从而降低粘度并提升流动性。金属间化合物的聚集、氧化层的形成以及晶粒粗化会导致流动性降低。Ca和Sr也会影响合金的T_S和T_L，降低凝固区间，降低枝晶重叠点温度，并提升流动性。过量的稀土含量会导致流动性降低。稀土对提升流动性的效果优于其他合金元素。

稀土元素在AZ91D镁合金中的研究主要集中在调控微观结构和性能方面。然而，关于稀土添加对合金流变行为和凝固特性的影响报道较少。轻稀土资源丰富且成本较低，而重稀土资源则较为稀缺且价格昂贵。使用部分轻稀土替代重稀土不仅能够缓解重稀土资源短缺的问题，还能显著降低生产成本，从而实现稀土资源的高效综合利用。尽管本研究中添加Ce和Y会导致AZ91D镁合金的生产成本略有上升，但其在提升流动性方面展现出显著优势。稀土元素在改善合金综合性能方面具有重要作用，包括凝固结构和流动性等关键指标。蔡等人研究了Ce、Y和Gd对AZ91D镁合金凝固结构的影响，但未比较不同稀土类型之间的调控差异。于等人和赵等人分别讨论了Ce和Y对AZ91D合金微观结构和性能的影响，但未涉及Ce/Y协同作用。因此，本研究填补了这一空白，为镁合金铸造生产提供了重要的技术参考。

在实验过程中，选取了AZ91D镁合金（99.9%纯度）和含有25% Ce、30% Y的稀土主合金（wt%）作为原材料。所有原材料均来自中国兵器工业集团第五二研究所（内蒙古）。单个稀土Ce和Y的添加量分别为0.0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 wt%。混合稀土Ce/Y的比例为1/1、3/6、6/3（质量比），总含量为0.9 wt%。实验通过控制不同的添加比例和含量，观察其对合金凝固结构和流动性的影响。实验结果表明，稀土的添加显著细化了α-Mg晶粒，并改善了β-Mg??Al??相的形态，从而提升了合金的机械性能。随着Ce、Y和Ce/Y含量的增加，合金的凝固结构先减小后增大。当Ce和Y的总含量为0.9 wt%，且Ce/Y比例为3/6时，合金的晶粒尺寸达到最小，β-Mg??Al??相的破碎和分散分布程度更高，合金的硬度也达到最佳水平。稀土的添加提高了合金的形核能力，从而改善了其凝固行为。此外，通过调控稀土的添加比例和含量，可以有效控制合金的凝固特性，提升其综合性能。

本研究的创新点在于，对不同Ce和Y含量及Ce/Y比例对AZ91D镁合金凝固结构和流动性的影响进行了系统分析。与以往研究相比，本研究不仅关注了稀土对合金微观结构的影响，还深入探讨了其对流动性及机械性能的综合提升效果。实验结果显示，Ce/Y（3/6）的添加对合金的细化和改性效果优于Ce和Y（0.9 wt%），而重稀土Y的细化效果次之。轻稀土Ce的添加使得合金的粘度最低，流动性最佳。因此，本研究为稀土元素在镁合金中的应用提供了新的思路，尤其是在轻重稀土复合添加方面。通过实验数据的对比分析，可以为镁合金的铸造工艺优化提供重要的理论依据和技术支持。

稀土元素的添加对镁合金的凝固结构和流动性具有显著影响。在凝固过程中，稀土元素能够改变合金的形核机制，促进晶粒细化，同时改善第二相的形态和尺寸。这些变化有助于提升合金的综合性能，包括机械强度和加工性能。实验中，通过调控Ce和Y的含量及比例，可以有效控制合金的凝固行为。例如，当Ce和Y的总含量为0.9 wt%，且Ce/Y比例为3/6时，合金的晶粒尺寸最小，β-Mg??Al??相的破碎和分散程度最高，硬度也达到最佳水平。这一发现表明，稀土元素的协同作用在提升合金性能方面具有重要作用。此外，稀土的添加还能显著降低熔体粘度，提高流动性。粘度的降低意味着熔体在凝固过程中更容易流动，从而减少枝晶网络的形成，提高合金的成型质量。实验中，通过比较不同添加量和比例的合金性能，可以进一步优化稀土的添加方案，以达到最佳的综合效果。

在实际应用中，稀土元素的添加对镁合金的流动性具有重要意义。流动性是衡量合金成型性能的关键指标之一，直接影响铸件的质量和加工效率。实验中发现，适量添加稀土元素能够显著改善合金的流动性，其中Ce的添加效果优于Y，而Ce/Y的协同作用则进一步提升了流动性。这一现象可能与稀土元素在熔体中的分布、形核能力及对枝晶生长的抑制作用有关。通过实验数据的分析，可以发现稀土元素的添加不仅改变了合金的凝固特性，还显著提升了其综合性能。因此，稀土元素在镁合金中的应用具有广阔的前景，尤其是在轻重稀土复合添加方面。

本研究的实验设计充分考虑了稀土元素的添加比例和含量对合金性能的影响。通过系统调控Ce和Y的含量及比例，可以实现对合金凝固结构和流动性的优化。实验结果表明，Ce/Y的协同作用在提升合金性能方面具有显著优势，这可能与稀土元素在熔体中的协同效应有关。轻稀土Ce的添加使得合金的粘度最低，流动性最佳，而重稀土Y的添加则在一定程度上改善了合金的细化效果。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行优化，以达到最佳的综合效果。本研究的实验数据为镁合金的铸造工艺提供了重要的参考，有助于提高合金的成型质量和加工效率。

稀土元素在镁合金中的应用不仅局限于微观结构的调控，还涉及合金的流变行为和凝固特性。实验中发现，稀土的添加能够显著改变合金的凝固行为，缩短凝固区间，降低枝晶重叠点温度，延迟枝晶重叠率，从而提升流动性。此外，稀土的添加还能抑制金属间化合物的聚集，减少氧化层的形成，进一步改善合金的流动性。这些发现表明，稀土元素在镁合金中的应用具有多重优势，不仅能够提升合金的综合性能，还能优化其加工过程。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行调整，以达到最佳的综合效果。

本研究的实验结果表明，稀土元素的添加对镁合金的综合性能具有显著影响。在凝固过程中，稀土元素能够改变合金的形核机制，促进晶粒细化，同时改善第二相的形态和尺寸。这些变化有助于提升合金的机械性能和加工性能。通过调控Ce和Y的含量及比例，可以实现对合金凝固结构和流动性的优化。实验结果显示，Ce/Y的协同作用在提升合金性能方面具有显著优势，这可能与稀土元素在熔体中的协同效应有关。轻稀土Ce的添加使得合金的粘度最低，流动性最佳，而重稀土Y的添加则在一定程度上改善了合金的细化效果。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行调整，以达到最佳的综合效果。

在实际应用中，稀土元素的添加对镁合金的流动性具有重要意义。流动性是衡量合金成型性能的关键指标之一，直接影响铸件的质量和加工效率。实验中发现，适量添加稀土元素能够显著改善合金的流动性，其中Ce的添加效果优于Y，而Ce/Y的协同作用则进一步提升了流动性。这些发现表明，稀土元素在镁合金中的应用具有广阔的前景，尤其是在轻重稀土复合添加方面。通过实验数据的分析，可以发现稀土元素的添加不仅改变了合金的凝固特性，还显著提升了其综合性能。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行优化，以达到最佳的综合效果。

本研究的实验结果表明，稀土元素的添加对镁合金的综合性能具有显著影响。在凝固过程中，稀土元素能够改变合金的形核机制，促进晶粒细化，同时改善第二相的形态和尺寸。这些变化有助于提升合金的机械性能和加工性能。通过调控Ce和Y的含量及比例，可以实现对合金凝固结构和流动性的优化。实验结果显示，Ce/Y的协同作用在提升合金性能方面具有显著优势，这可能与稀土元素在熔体中的协同效应有关。轻稀土Ce的添加使得合金的粘度最低，流动性最佳，而重稀土Y的添加则在一定程度上改善了合金的细化效果。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行调整，以达到最佳的综合效果。

稀土元素的添加对镁合金的流动性具有重要意义。流动性是衡量合金成型性能的关键指标之一，直接影响铸件的质量和加工效率。实验中发现，适量添加稀土元素能够显著改善合金的流动性，其中Ce的添加效果优于Y，而Ce/Y的协同作用则进一步提升了流动性。这些发现表明，稀土元素在镁合金中的应用具有广阔的前景，尤其是在轻重稀土复合添加方面。通过实验数据的分析，可以发现稀土元素的添加不仅改变了合金的凝固特性，还显著提升了其综合性能。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行优化，以达到最佳的综合效果。

本研究的实验结果表明，稀土元素的添加对镁合金的综合性能具有显著影响。在凝固过程中，稀土元素能够改变合金的形核机制，促进晶粒细化，同时改善第二相的形态和尺寸。这些变化有助于提升合金的机械性能和加工性能。通过调控Ce和Y的含量及比例，可以实现对合金凝固结构和流动性的优化。实验结果显示，Ce/Y的协同作用在提升合金性能方面具有显著优势，这可能与稀土元素在熔体中的协同效应有关。轻稀土Ce的添加使得合金的粘度最低，流动性最佳，而重稀土Y的添加则在一定程度上改善了合金的细化效果。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行调整，以达到最佳的综合效果。

稀土元素的添加对镁合金的流动性具有重要意义。流动性是衡量合金成型性能的关键指标之一，直接影响铸件的质量和加工效率。实验中发现，适量添加稀土元素能够显著改善合金的流动性，其中Ce的添加效果优于Y，而Ce/Y的协同作用则进一步提升了流动性。这些发现表明，稀土元素在镁合金中的应用具有广阔的前景，尤其是在轻重稀土复合添加方面。通过实验数据的分析，可以发现稀土元素的添加不仅改变了合金的凝固特性，还显著提升了其综合性能。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行优化，以达到最佳的综合效果。

本研究的实验结果表明，稀土元素的添加对镁合金的综合性能具有显著影响。在凝固过程中，稀土元素能够改变合金的形核机制，促进晶粒细化，同时改善第二相的形态和尺寸。这些变化有助于提升合金的机械性能和加工性能。通过调控Ce和Y的含量及比例，可以实现对合金凝固结构和流动性的优化。实验结果显示，Ce/Y的协同作用在提升合金性能方面具有显著优势，这可能与稀土元素在熔体中的协同效应有关。轻稀土Ce的添加使得合金的粘度最低，流动性最佳，而重稀土Y的添加则在一定程度上改善了合金的细化效果。因此，稀土元素的添加方案需要根据具体的应用需求进行调整，以达到最佳的综合效果。