原标题：Ce 元素对铸态 Mg-Al-Ca 合金显微组织和性能的影响

1 导读

镁合金凭借轻质、高强、易回收的优势，在航空航天、汽车、3C 等领域备受青睐，但耐热差、强度不足的短板限制了其大规模应用。传统依赖重稀土提升性能的方案，又面临成本高、密度增加的问题。内蒙古科技大学团队的研究发现，添加微量轻稀土 Ce，就能让 Mg-Al-Ca 合金的显微组织和力学性能实现 “质的飞跃”，为低成本高性能镁合金的开发提供了新路径。

随着经济发展，航空航天、汽车制造等领域对轻质结构材料的需求日益迫切。镁合金作为 “轻质金属明星”，密度小、比强度高、阻尼性好，还能回收利用，理论上是理想选择。但它有个致命缺点：耐热性能差，温度升高后强度和蠕变性能会急剧下降，远不如铝合金适用范围广。

为了改善镁合金性能，传统方法是添加大量重稀土元素（如 Gd、Y），形成高熔点稀土相来强化合金。但重稀土价格昂贵，还会增加镁合金密度，反而弱化了其 “轻量化” 的核心优势。因此，科研人员纷纷转向轻稀土，试图找到低成本、高性能的替代方案。

已有研究证实，轻稀土与 Ca 复合添加能显著提升镁合金性能，且 Ca 价格低廉、易获取。比如崔鹏星在 AZ91 合金中添加 La 和 Nd（轻稀土），形成了热稳定性高的 Al-RE 相，使合金硬度和抗拉强度分别达到 81.4HV 和 184MPa；杨清宇等人发现，Ce 能变质Mg-5Al-4Ca-0.8Mn 合金，0.8% Ce 添加量时综合性能最优。在此基础上，张思芹团队以 Mg-Al-Ca 合金为研究对象，系统探究不同 Ce 添加量对其组织和性能的影响，旨在为新型镁合金的开发提供更精准的参考。

2 内容来源

本研究由内蒙古科技大学材料科学与工程学院的张思芹、杨礼林、李瑞红、赵莉萍共同完成，研究成果以《Ce 元素对铸态 Mg-Al-Ca 合金显微组织和性能的影响》为题，发表于《特种铸造及有色合金》2025 年第 45 卷第 9 期。研究采用气体保护法熔炼制备 Mg-3Al-1.8Ca-xCe（x=0、0.2、0.4、0.6、0.8）铸态合金，通过金相显微镜、扫描电镜、X 射线衍射、电子探针、维氏硬度测试和拉伸试验等手段，发现 Ce 能细化合金组织并形成新的高熔点 Al11Ce3 相，当 Ce 添加量为 0.6% 时，合金力学性能最优，为低成本高性能镁合金的研发提供了重要数据支撑。

3 研究亮点

本研究聚焦低成本镁合金的性能优化，核心亮点在于通过微量轻稀土 Ce 的精准调控，实现了 Mg-Al-Ca 合金组织与性能的协同提升：Ce 的加入不仅能显著细化原本粗大的树枝晶组织，还能在晶界形成高熔点 Al11Ce3 相，通过细晶强化和第二相强化共同作用改善力学性能；同时明确了 Ce 添加量的 “阈值效应”，即合金硬度和室温力学性能随 Ce 含量增加呈 “先升后降” 趋势，0.6% 为最佳添加量，既避免了重稀土的高成本，又保留了镁合金的轻量化优势，研究数据详实、结论明确，具有很强的实际应用价值。

4 研究方法

研究团队以纯度 99.96% 的纯 Mg、纯 Al，Mg-20Ca 中间合金为基础原料，添加 99.9% 的纯 Ce，设计了 Ce 含量为 0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8% 的系列合金。熔炼温度设定为 720℃，采用 N₂和 SF₆（体积比 99∶1）混合气体保护，依次加入原料后搅拌 1 小时，冷却至 700℃时浇注到金属型中，得到 ϕ40mm×100mm 铸锭。

随后通过多种手段进行表征与测试：用蔡司 AXIOVERT 25 光学显微镜和 TESCAN-MIRA3 扫描电镜观察微观组织；用牛津 X-Max 能谱仪、SmartLab X 射线衍射仪（扫描速度 5°/min，范围 20°~90°）和 JXA-i HP200F 电子探针分析成分与物相；用 Q10A + 全自动维氏硬度计测试硬度；按标准加工拉伸试样，用 CSS-44100 电子万能试验机以 0.5mm/min 速率进行室温拉伸试验，获取力学性能数据。

图1　拉伸试样尺寸

5 内容解读

1. 显微组织分析：Ce 让合金晶粒 “变细变匀”

未添加 Ce 时，Mg-3Al-1.8Ca 合金的 α-Mg 晶粒是粗大的树枝晶，晶界分布着连续或半连续的网状共晶组织，二次枝晶间距达 27.5μm。添加 0.2% Ce 后，组织细化不明显；当 Ce 含量增至 0.4%，局部晶粒细化，二次枝晶间距降至 23.7μm，但晶粒尺寸不均；Ce 含量为 0.6% 时，细化效果最佳，二次枝晶间距仅 19.3μm，比未加 Ce 时减小 28%，晶粒均匀整齐；而 Ce 含量达到 0.8% 时，晶粒反而粗化，二次枝晶间距增至 25.8μm，晶界析出相聚团。这说明适量 Ce 能促进晶粒细化，但过量会导致组织粗化。

图2　不同Ce含量下铸态Mg-3Al-1.8Ca-xCe合金的光学显微组织

2. 物相分析：新相 Al11Ce3 的 “强化作用”

XRD 分析显示，未加 Ce 的合金主要由 α-Mg 相和 Al2Ca 相组成。添加 Ce 后，合金中出现了新的高熔点相 ——Al11Ce3 相。这是因为 Ce 与 Al 的电负性差值（Al 为 1.613，Ce 为 1.12）大于 Ce 与 Mg、Ca 的差值，凝固时 Al 会优先与 Ce 结合生成 Al11Ce3 相。

扫描电镜和 EDS 分析进一步验证了这一结论：未加 Ce 时，晶界网状相为 Al2Ca 相；添加 Ce 后，晶界出现亮白色针状相，经 EDS 检测为 Al11Ce3 相。当 Ce 含量达到 0.8% 时，这些针状相长度变大并聚集，影响合金性能。电子探针（EPMA）的精准分析则清晰展示了元素分布：Ce 添加后，Al 和 Ce 在晶界富集形成 Al11Ce3 相，而 Ca 仍与 Al 结合形成 Al2Ca 相，两种相共同作用于合金组织。

图3　不同Ce含量下铸态Mg-3Al-1.8Ca-xCe合金的XRD图谱

图4　Mg-Al-Ca三元相图

图5　不同Ce含量下铸态Mg-3Al-1.8Ca-xCe合金的SEM组织

图6　铸态Mg-3Al-1.8Ca-0.6Ce合金EDS能谱分析结果

图7　铸态Mg-3Al-1.8Ca-xCe合金的EPMA检测结果

3. 力学性能分析：性能 “先升后降”，0.6% Ce 为最优

硬度测试结果显示，合金硬度随 Ce 含量增加呈 “先升后降” 趋势：未加 Ce 时硬度为 54.3HV，0.6% Ce 添加时达到最大值 57.4HV，提高了 5.7%；Ce 含量增至 0.8% 时，硬度降至 53.9HV。这是因为适量 Ce 通过细晶强化提升硬度，过量则导致组织粗化，硬度下降。

拉伸试验结果与硬度变化一致：未加 Ce 的合金抗拉强度 111MPa、伸长率 2.5%；添加 0.6% Ce 时，抗拉强度提升至 127MPa（提高 14.4%），伸长率达 4.3%（提高 72%），综合力学性能最优。这一提升源于两方面：一是晶粒细化的细晶强化作用，二是 Al11Ce3 相的第二相强化 —— 该相热稳定性好，均匀分布在晶界能阻碍位错运动。而 Ce 含量达 0.8% 时，大量针状 Al11Ce3 相聚团，造成应力集中，割裂合金基体，导致抗拉强度降至 107MPa，性能下降。

图8　不同Ce添加量下铸态Mg-3Al-1.8Ca镁合金的维氏硬度

6 主要结论

组织调控：Ce 能有效细化 Mg-Al-Ca 合金组织，Ce 含量为 0.6% 时细化效果最佳，二次枝晶间距比未加 Ce 时减小 28%；过量 Ce（0.8%）会导致晶粒粗化和析出相聚团。

物相转变：未加 Ce 的合金主要含 α-Mg 相和 Al2Ca 相；添加 Ce 后生成高熔点 Al11Ce3 相，该相均匀分布时能强化合金，过量则聚集影响性能。

性能优化：合金硬度和室温力学性能随 Ce 含量增加先升后降，0.6% Ce 添加量时综合性能最优，抗拉强度 127MPa、伸长率 4.3%，分别提高 14.4% 和 72%，这是细晶强化与第二相强化共同作用的结果。

7 中英文引用格式

中文引用：张思芹，杨礼林，李瑞红，等. Ce 元素对铸态 Mg-Al-Ca 合金显微组织和性能的影响［J］

本文转载自：《特种铸造及有色合金》