在材料科学的宏伟殿堂中，人类始终致力于探索提升材料性能的终极路径。从青铜时代到铁器时代，再到如今的硅基和先进合金时代，每一次材料性能的飞跃都深刻地改变了社会面貌。在这场无止境的探索中，稀土元素的应用，特别是稀土合金化技术，犹如一把精准的“基因编辑剪刀”，通过微量的添加便能从根本上优化和重塑金属材料的“内在禀性”，解锁其前所未有的性能潜力，为现代高新技术产业提供了坚实的物质基础。
稀土并非单一的某种土壤，而是17种金属元素的统称，包括原子序数从57到71的镧系元素，以及与它们化学性质相近的钪和钇。这些元素虽然被称为“稀土”，但其在地壳中的丰度并不低，某些稀土元素的含量甚至比常见金属还要丰富。它们原子结构特殊，最外层电子排布相似，而内层的4f电子层则处于未充满状态。这一独特的“电子构型”使稀土元素成为天生的“多面手”，具有丰富的光、电、磁、催化等物理化学性质，能够与多种金属形成性能优异的合金材料，被誉为现代工业的“维生素”。正是这些与生俱来的特质，使得即便是微量的稀土元素加入到传统金属中，也能引发其微观结构和宏观性能的深刻变革，起到“四两拨千斤”的效果。
稀土在合金中的作用机理可称为“点石成金”的精妙艺术。其核心作用机制在于对材料微观结构的精准调控。其一，“净化”与“变质”。稀土元素与氧、硫、氢等杂质有极强的亲和力，能与之形成高熔点、稳定的化合物，从而有效去除熔融金属中的有害气体和杂质，净化合金熔体。同时，稀土元素能吸附在晶粒生长的前沿，抑制晶粒的过快长大，细化铸态组织。在高强度低合金钢（HSLA）钢板坯连铸过程中，稀土元素的加入可以显著细化钢板坯的晶粒结构，提高钢板的力学性能。其二，“固溶”与“微合金化”。部分稀土原子能融入基体金属的晶格中，引起晶格畸变，产生固溶强化效应。更重要的是，它们就像“种子”一样，能引导其他合金元素形成亿万个极其细小的强化点，并让它们均匀地分布在材料内部，这极大地提升了材料的热稳定性、抗蠕变和耐腐蚀性能。其三，“优化界面”与“改善工艺性能”。稀土元素能偏聚在晶界和相界等关键区域，增强界面结合力。在C/Cu复合材料中，添加稀土元素镧能够显著改善碳与铜基体之间的界面结合性能，这种界面改善作用源于稀土元素与碳元素形成稳定的化合物，增强界面结合强度，从而提高材料的综合性能和使用寿命。
稀土的产业链是一条技术密集、环环相扣的长链，包括上游资源开采与冶炼、中游合金制备和下游应用三个主要环节。上游是稀土资源的勘探、开采与选矿，全球稀土资源分布不均，这是一个涉及地质学、矿物加工和多学科交叉的领域。中游是核心的冶炼分离环节，从精矿中提取出混合稀土化合物，再经过复杂的溶剂萃取、离子交换等工艺，分离出高纯度的单一稀土氧化物或金属。这一过程技术壁垒高，分离流程长，是决定稀土产品质量和成本的关键。下游则是深加工与应用，将高纯稀土金属或中间合金添加到铝、镁、铜、钢、镍基高温合金等基体中，制备出性能各异的稀土功能材料。
稀土合金化的应用已渗透到现代科技的方方面面，展现出强大的变革力量。在永磁材料领域，钕铁硼永磁体是稀土应用的王冠。添加镝、铽等重稀土元素，能大幅提升其矫顽力和工作温度，使其在风力发电机、新能源汽车驱动电机、精密伺服电机中扮演着动力核心角色，实现了设备的小型化、轻量化和高效化。每台纯电动汽车大约需要数公斤钕铁硼磁材，随着新能源车行业的快速发展，永磁材料的需求量持续提升。2024年，中国稀土永磁材料产量已占全球总量的90%左右。在航空航天领域，材料需要具备高强度、低密度、耐高温和耐腐蚀等性能。稀土钛合金通过添加钇、钕等稀土元素，能够细化钛合金的晶粒，提高其强度和韧性，同时改善高温性能和耐腐蚀性能。这些高性能稀土钛合金用于制造航空发动机叶片、飞机结构件等，显著提高了飞机的性能和可靠性。在发光材料领域，钇、铕、铽等元素制备的荧光粉和磷光体，是LED照明、显示器屏幕背光源的核心发光材料，它们决定了光的颜色、亮度和寿命，点亮了我们的数字世界。在电子信息领域，在C/Cu电接触材料中添加稀土元素，能够显著改善其界面润湿性，降低接触电阻，减少质量损失，大大提高了电子设备的可靠性和使用寿命。甚至在医疗设备领域，稀土合金也展现出广阔的应用前景，仿人机械臂辅助外科医生远程操控，突破人手生理局限，开展高难度微创手术。
尽管稀土合金化技术成果斐然，但其进一步发展仍面临诸多现实瓶颈。首要挑战来自资源本身与环保问题。全球稀土资源分布不均，高品质矿床相对集中，使得供应链存在潜在风险。稀土元素“伴生”的特性使得分离提纯流程复杂，产生大量废渣和废水。稀土开采过程中的尾矿堆积会占用大量土地，冶炼过程中的废水、废气排放含有有害物质，对环境保护和绿色生产工艺提出了极高要求。其次，技术瓶颈是制约发展的关键因素。在钢铁材料中应用稀土元素时，由于稀土元素活性高、易氧化，加之冶金过程存在多相反应复杂、工艺控制难度大等问题，普遍存在稀土利用率低、夹杂物不可控、连铸水口结瘤、性能波动大等技术难题。要设计出具有特定性能的高性能稀土合金仍然面临着挑战，难以精确控制稀土元素在合金中的分布和存在形式。再者，应用技术开发与推广也是重要的挑战。用户对稀土合金的性能和应用特点了解不够，且应用成本较高，限制了稀土合金产品的推广应用。
展望未来，稀土合金化技术正朝着更精准、更高效、更绿色的方向演进。随着原子尺度表征技术和计算材料学（如材料基因工程）的飞速发展，科学家有望在虚拟世界中设计和筛选最优的稀土合金配方，大幅缩短研发周期。通过深入研究稀土元素与钢中其他元素的相互作用机制，为优化稀土合金化工艺提供理论依据。应用领域拓展将为稀土合金化开辟新的空间，在生物医学、环境保护、智能家居等新兴领域发挥重要作用。可持续发展将是永恒的主题，加强稀土资源的合理开发和利用，推广绿色开采冶炼技术，提高稀土资源的回收利用率，开发绿色、高效的稀土合金化工艺，将进一步降低生产成本和对环境的影响。
总而言之，稀土合金化这项“点石成金”的技艺，解开了提升金属材料综合性能的“基因密码”，已然成为撬动材料性能飞跃的关键支点。通过持续的研究和创新，稀土合金化必将开启材料科学的新纪元，为人类社会向绿色化、智能化转型提供极为重要的物质载体，在人类文明的进程中写下浓墨重彩的篇章。
（作者单位：中国矿业大学）
责任编辑：王昆鹏
