镁合金是比重最轻的结构材料,具有高比强、高比模、高阻尼、电磁屏蔽能力强以及易回收等优异性能。但由于镁的化学性质活泼,极易氧化燃烧,给镁合金的存放、生产、加工和产品使用都造成较大的困难,成为阻碍镁合金推广应用和发展的重要因素。要解决这些问题唯一的途径就是提高镁合金的抗氧化性能。本课题从铸造镁合金生产中熔体阻燃的问题入手,归纳了目前常见的熔剂覆盖、气体保护、半固态成形和合金化等阻燃方法,对比分析了各种阻燃方法的特点和不足,总结出了合金化方法的优点和发展前景:如若能找到合适的合金化元素,将不仅能提高镁合金熔体的阻燃性能,而且同时还能提高镁合金高温(未熔状态)抗氧化性能和常温耐腐蚀性能,对不同状态下镁合金的氧化行为起到限制作用,相比其他方法将具有更加彻底的“阻燃”意义,可以实现利用同种同量的合金化元素,同时解决目前镁合金应用推广中所面临的大部分难题。本课题选取经成分优化配比的混合稀土(RE)作为合金化元素,添加到目前广泛应用的ZM5镁合金中。结果显示,适量的混合稀土不仅能提高镁合金熔体阻燃性能,而且还能明显改善镁合金的高温抗氧化性能和常温耐腐蚀性能。结合试验结果与理论分析,系统地研究了添加混合稀土对不同状态下镁合金抗氧化性能的作用机理,为成功开发混合稀土阻燃镁合金奠定了试验和理论基础。混合稀土能有效提高熔体状态ZM5镁合金的起燃温度。加入量为0.1%时,阻燃效果最好,起燃温度达到830℃,可以实现镁合金在大气条件下直接进行无保护熔炼和浇注。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)等手段,对混合稀土阻燃镁合金熔体表面氧化膜的形貌、物相、元素分布进行了检测,发现在ZM5-0.1%RE合金熔体表面形成的氧化膜完整致密,厚度在2.5～3.5μm左右,内部元素分布不均, RE元素具有显著的表面富集现象。该氧化膜具有双层结构,外层主要是初生的不具备保护性的MgO层,氧通过外层可继续向内扩散。由于RE在熔体表面富集,增大了熔体表面稀土元素的浓度,为RE优先于Mg发生氧化创造了有利的热力学条件,反应生成的RE2O3因P-B比η大于1,一方面能填补MgO膜中的孔洞,一方面由氧化发生体积膨胀而形成的压应力能促使MgO变得致密,从而形成了由MgO、RE2O3和Al2O3组成的致密内层,具备阻滞反应物在其内部扩散的条件。通过分析恒温氧化动力学曲线,致密的内层能有效阻滞反应物的扩散,使氧化过程由界面反应控制转为受扩散阻滞控制,氧化膜的抛物线生长规律,证明了表面氧化膜对熔体的保护性。混合稀土能有效提高ZM5镁合金高温抗氧化性能。利用升温氧化增重曲线(TGA曲线)对ZM5和ZM5-0.1%RE两种镁合金的高温抗氧化性能进行了比较。ZM5合金升温到500℃时,氧化增重开始加剧;ZM5-0.1%RE合金因具有比ZM5合金更好的高温抗氧化性能,氧化增重加剧的温度可以达到600℃。通过考察两种合金及其氧化后的微观组织,结合Mg-Al相图,发现镁合金高温氧化破坏起始于晶界,分布在晶界的β-Mg17Al12相熔点较低是造成这一现象的重要原因。在ZM5合金中加入后,低熔点β-Mg17Al12相的数量减少,从而减少了从晶界氧化的“突破口”;并且β-Mg17Al12相由连续的网状分布转为断续的弥散分布,使得Mg17Al12在高温下形成的液相不再连续,断绝了氧通过液相沿晶界连续扩散的通道;而且稀土与铝形成的铝稀土相也大部分与Mg17Al12相共生在晶界上,也能阻止氧化反应向内部渗透。所以加入0.1%RE混合稀土后,ZM5合金高温抗氧化性能得到提高,在切削试验中没有出现燃烧现象。同时,RE的加入,细化了基体晶粒,使得ZM-0.1%RE合金具备了较好的力学性能。综合混合稀土对镁合金熔体起燃温度的影响和对镁合金高温抗氧化性能的作用,提出了混合稀土阻燃镁合金的“二次起燃温度”假说,能为混合稀土阻燃镁合金的熔炼和试验起到一定的理论指导。混合稀土还能有效提高ZM5镁合金常温耐腐蚀性能。采用浸泡腐蚀失重法,对比分析了0.1%RE加入前后ZM5镁合金的自然腐蚀行为。结果表明,混合稀土的加入使镁合金基体晶粒变小,β-Mg17Al12相减少并呈弥散分布,降低了Al元素在基体晶粒中的偏析程度和第二相的电偶阴极作用,从而提高了镁合金的耐腐蚀性能。