原标题：江苏大学&上交：半固态成形技术突破，镁稀土合金迎来高性能制造新时代

导读

镁稀土合金因其优异的力学性能和轻量化特性，成为航空航天、新能源汽车等高端装备的理想材料。然而，传统成形工艺限制其广泛应用。半固态成形技术通过独特的液固混合状态加工，显著提升铸件质量与性能，成为突破镁稀土合金制造瓶颈的关键路径。

镁合金作为最轻的工程结构材料，具有低密度、高比强度、良好的阻尼和电磁屏蔽性能，在航空航天、武器装备、轨道交通及3C产品等领域具有广泛应用前景。然而，商用Mg-Al系合金在150℃即发生软化，耐热性能不足。以重稀土元素（如Gd、Y）为主的Mg-RE合金，因稀土原子在镁中固溶度随温度变化大，具有显著的时效硬化特性，能在250℃以上仍保持优良的服役性能。

传统高压压铸（HPDC）虽效率高，但易产生气孔，无法进行后续热处理，限制了Mg-RE合金性能的充分发挥。半固态成形（Semi-solid Processing, SSP）技术通过低温、层流充型，有效减少铸造缺陷，提高铸件致密度，使其具备热处理潜力，尤其适用于时效硬化型Mg-RE合金。

【内容来源】

本文由江苏大学汪存龙副教授、上海交通大学吴国华教授等合作完成，题为《半固态成形镁稀土系镁合金研究进展》，发表于《特种铸造及有色合金》2025年第6期。文章系统综述了半固态成形Mg-RE合金的成分设计、浆料制备、成形工艺及性能评价，为该类合金的工程应用提供了重要参考。

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【研究亮点】

本研究系统梳理了半固态成形Mg-RE合金的最新进展，首次整合成分设计、制浆技术、成形工艺与性能评价，指出半固态成形不仅能显著提升合金的室温与高温力学性能，还能改善耐腐蚀性和疲劳性能，为镁稀土合金在高端装备中的应用提供了全链条技术支撑。

【研究方法】

研究通过热力学计算优化合金成分设计，采用多种半固态制浆技术（如电磁搅拌、超声振动、气泡搅拌、SEED法等）制备高质量浆料，结合流变压铸（RDC）、流变挤压铸造（RSC）和触变成形等工艺，系统分析了微观组织演变与力学性能关系。

【内容解读】

1 半固态成形镁稀土合金的成分设计和材料体系研究进展

半固态成形技术通过非平衡凝固机制与浆料流动特性提升镁稀土合金的力学性能。合金成分设计需优化流变行为和利用稀土元素的时效硬化特性，以构建多相强化体系。凝固区间、半固态加工温度和固相率的稳定性是制备半固态浆料的关键因素。温度敏感性是影响固相率稳定性的主要参数，而稀土元素的加入可提高合金性能。研究集中在Mg-Gd-Y系和Mg-Y-Nd系合金，以及用廉价元素替代部分稀土以降低成本。新型Mg-Gd-Ca合金通过减少Gd用量并改善高温蠕变性能，展示了半固态成形方法在设计高温应用新型多元镁合金体系中的潜力。

图1　高纯铝凝固过程以及纯金属或共晶合金冷却过程中焓和温度的变化示意图

图2　基于Scheil方程的相图热力学计算得到的固相率与温度关系曲线（曲线上的数字表示斜率）

2 镁稀土合金半固态浆料制备研究进展

讨论了半固态成形镁稀土系镁合金的浆料制备技术。半固态加工技术分为流变成形和触变成形，关键在于制备出高质量的浆料，其中α-Mg颗粒的尺寸和形貌对浆料质量至关重要。制浆过程中，需要产生细小、近球形的初生相以获得良好的流动性。研究者提出了多种非枝晶初生相形成机制的假说，包括枝晶臂断裂、枝晶臂根部重熔和生长控制机制。外场如机械搅拌、电磁搅拌和超声波振动等可促进α-Mg由玫瑰状向球状转变。另一种制备方法是通过升温合金锭至半固态温度区间获得浆料，其中半固态等温热处理法和应变诱导熔化激活法应用广泛，固相法制浆参数主要包括加热温度和保温时间。目前，半固态制浆方法有近30种，代表性工艺包括双螺杆搅拌法、电磁搅拌法等。气泡搅拌法在镁合金半固态浆料制备中得到深入研究，优化后的制浆参数可获得细小、球形的半固态浆料。镁稀土合金体系半固态浆料制备研究较少，低频电磁搅拌法可成功制备Mg-Gd-Zn、Mg-Nd-Zn合金半固态浆料，通过优化工艺参数和成分得到质量较好的半固态浆料。在Mg-Y-Zn、Mg-RE-Y-Zn合金半固态制浆中引入超声波振动，可促进α-Mg颗粒的球化。流变成形Mg-RE合金的制浆工艺中，引入Mg-Zr中间合金也是制备良好浆料的有效方法。触变成形的制浆方法主要包括在凝固时引入外场、细化剂、细小的初生相颗粒或塑性变形等，然后将铸锭重新加热至半固态温度区间获得组织较好的浆料，其中应变诱发熔化激活法和半固态等温热处理法研究较多。触变法制备半固态浆料可以稳定地制备出合格的半固态坯料，且在熔体纯净度方面可以避免绝大多数氧化缺陷，有望成为制备高性能镁稀土合金半固态浆料的重要方法。

图3　GISS法和SEED法制浆方式

图4　LFEMS半固态浆料制备设备及装置示意图
1.电磁线圈　2.真空试样采集装置　3.热电偶　4.加热线圈　5.温度记录系统

图5　Mg-Gd-Zn半固态浆料的OM显微组织

图6　Mg-10Gd-2Ca-xZr（x=0，0.2，0.4，0.6，%）合金半固态浆料微观组织

图7　Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr合金的半固态组织随等温温度和等温时间的变化

图8　半固态组织演化过程中机制演变示意图

3 镁稀土合金半固态成形工艺研究进展

半固态成形技术在镁合金领域的应用逐渐增多，特别是在汽车制造和消费电子行业。镁合金半固态成形工艺包括触变成形和流变成形，其中流变成形工艺如流变压铸（RDC）和流变挤压铸造（RSC）能有效解决卷气问题，适合Mg-RE合金。研究显示，半固态成形铸件的微观组织和力学性能得到改善，且可进行时效处理。国内对镁稀土合金的半固态成形进行了研究，发现Gd含量变化影响合金的显微组织和力学性能，而低频电磁搅拌和超声振动技术有助于制备高质量的半固态浆料。触变成形工艺中，液相偏析是常见问题，减小α-Mg颗粒尺寸有助于减轻此问题。注射成形技术在镁合金制备中受到关注，其工艺流程包括感应加热、精确控温和注射成形，适用于新能源汽车和3C电子领域。镁合金半固态注射成形技术展现出晶粒细化效果，但目前尚未见有关镁稀土合金的研究报道。随着材料基因工程技术的发展，有望推动镁稀土合金在大型复杂结构件领域的应用。

图9　RDC加工示意图及其成制备合金的典型微观组织

图10　传统HPDC和RDC制备的GWZ1131K合金的OM显微组织

图11　RDC模具和铸件的实物图

图12　流变压铸 Mg-xGd-3Y-1Zn-0.4Zr （x=8， 10， 12， 14，%）合金铸态的SEM-BSE图像

图13　RSC工艺示意图
1.熔体　2.超声探头　3.变幅杆　4.超声换能器　5.升降装置　6.超声源　7.温控器　8.顶销　9.固定模　10.上模

图14　流变挤压铸造试样在不同压力下的显微组织

图15　触变成形工艺流程

图16　触变成形EK21-WE43B合金的微观组织

图17　镁合金的注射成形装置与产品
1.产品　2.模具　3.喷嘴　4.止回阀　5.双金属桶　6.螺杆　7.镁屑　8.加料斗　9.保护气体　10.伺服电机　11.高速注射单元　12.加热线圈　
13.桶架　14.半固态浆料

4 半固态成形镁稀土合金的性能

探讨了半固态成形镁稀土合金的性能，包括静态拉伸性能、蠕变性能、疲劳性能、耐蚀性和摩擦磨损性能。研究表明，半固态成形镁合金的稳态蠕变速率比常规铸造方法显著降低，RE和Ca元素的加入明显改善了AZ91合金的蠕变性能。半固态成形AM60B镁合金的低周疲劳寿命明显长于压铸合金，且随应变幅值和应变比的减小而增大。半固态成形镁稀土合金试样表现出较高的伸长率，主要归功于控制铸造缺陷方面明显优于常规压铸工艺。流变压铸方法制备的Mg-11Gd-3Y-1Zn-0.2Zr合金经过T4热处理后，屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为169 MPa、250 MPa和6.1%。超声振动处理后的半固态浆料与挤压铸造相结合制备的Mg-3RE-1Zn-1.4Y-0.6Zr合金，随着施加压力的增加，抗拉强度不断提高。流变挤压铸造方法制备的Mg-2Y-1Zn-0.1Zr合金，在400 MPa挤压压力下，抗拉强度和伸长率达到最大值。低频电磁搅拌制浆结合流变挤压铸造方法制备的Mg-Nd-Zn-Zr合金，施加压力和热处理工艺对合金力学性能有显著影响。在Mg-RE合金的触变成形中，混合挤压后进行触变成形的EK21与WE43B镁合金表现出良好的时效硬化行为。Pandat热力学计算优化了Mg-8.57Gd-3.72Y-0.54Zr半固态浆料的加工窗口，触变成形合金的力学性能得到了显著提升。在耐蚀性方面，半固态成形Mg-6Zn-0.9Nd-0.9Zr镁合金表现出较好的耐蚀性，网状分布的液相阻止了腐蚀介质在固相之间的流动，从而抑制了大部分局部腐蚀。流变挤压铸造Mg-8.6Zn-0.6Y合金的耐腐蚀性能随施加压力的增大而增强。触变成形的WE43镁合金在Cl-环境中具有更好的力学性能和耐腐蚀性，但经过T6热处理后，耐腐蚀性略有下降。

图18　采用RDC和常规HPDC制备的Mg-RE合金的工程应力-应变曲线和力学性能

图19　不同压力下RSC试样在不同浸泡时间下的三维腐蚀形貌

图20　在0.1 mol/L NaCl水溶液中浸泡试验中WE43镁合金表面腐蚀过程的简化模型

【主要结论】

半固态成形技术因其低成本、短流程、低能耗等特点在Mg-RE合金体系中具有广阔的应用前景：

（1）适用于半固态成形技术的Mg-RE合金成分设计是获得优异质量铸件的前提，利用热力学计算软件对Mg-RE合金半固态制浆过程中固相率的计算，分析不同合金化元素对fs-T曲线斜率的影响从而确定合金化元素对半固态浆料成形性能的影响。稀土元素的种类及添加量的调控有助于Mg-RE半固态成形铸件的性能提升。非稀土元素如Ca、Zn、Zr主要作为功能性的合金化元素，有助于半固态浆料的成形性能、铸件的高温性能的提升。

（2）半固态浆料的稳定制备是保证成品质量的前提，目前主要聚焦于半固态浆料的制备技术。液相法制备半固态浆料时往往辅以外物理场，可以获得较大体量的半固态浆料，缺点是制备工艺复杂，对设备要求高，容易产生缺陷。固相法制备半固态浆料时对设备要求不高，并且非扰动的加热可以避免绝大多数氧化缺陷，缺点是零件毛坯尺寸小，制备大件时对设备要求高、组织偏析严重。

（3）Mg-RE合金的半固态成形技术主要包括半固态高压压铸、半固态挤压铸造，采用半固态成形后的高压压铸的铸件可以进行热处理强化，从而发挥Mg-RE合金时效硬化的优势。压力铸造下的微观组织致密度得到提升，避免了孔洞、气孔等铸造缺陷对铸件的不利影响。

（4）利用半固态成形技术可在一定程度上改善Mg-RE合金的室温、高温拉伸性能和耐腐蚀性能。而半固态成形在Mg-Al合金中的研究还发现高温抗蠕变性能和抗疲劳性能得到提升，有望对Mg-RE合金起到类似的效果。

采用半固态成形技术制备的Mg-RE半固态合金表现出的力学性能尤其是高温力学性能的提升潜力巨大，对于发展耐热镁合金提供了新思路。针对目前存在的问题，镁稀土合金半固态成形技术的发展需重点关注以下方面：

（1）从合金成分的设计出发，研究添加微量元素对镁稀土合金半固态加工窗口的进一步拓宽，并对实现初生相尺寸、体积分数的稳定控制提出了要求。

（2）开发针对半固态浆料熔体净化工艺，实现低温净化，保证半固态浆料的纯净度，优化当前已有制浆工艺或者开发新型高效、绿色友好的制备工艺有助于镁稀土合金半固态成形的实践。

（3）半固态成形镁稀土合金的成形工艺参数探索，结合仿真模拟软件实现对铸造流程的控制，同时还需开发面向Mg-RE合金半固态成形的专用设备。

（4）利用镁稀土合金的优势，重点关注半固态成形镁合金的热处理制度及相应状态的力学性能，尤其应关注其高温蠕变变形行为和疲劳断裂行为等。

【中英文引用格式】

汪存龙，王翔宇，谢赫，等. 半固态成形镁稀土系镁合金研究进展[J]. 特种铸造及有色合金，2025, 45(6): 807-821.

WANG C L, WANG X Y, XIE H, et al. Research progress in semi-solid processing of Mg-RE series alloys[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2025, 45(6): 807-821.

本文转载自：《特种铸造及有色合金》