鎂合金作為最輕的金屬結構材料，在汽車、3C電子等領域具有巨大的應用潛力。然而，高強度和高塑性難以協調一直是限制鎂合金廣泛應用的主要阻礙。目前，開發的典型高強/超高強鎂合金是高稀土含量的時效型變形鎂合金，合金的強化主要源于納米沉澱、細晶結構以及強織構。這類合金的高強度通常伴随着低塑性，此外高稀土含量也意味着高成本和高密度。因此，在低合金化條件下制備高強塑性鎂合金逐漸成為研究的熱點。
近期，304am永利集团的張景懷課題組綜合利用晶界偏聚和位錯調控開發出低合金化高強塑性細晶鎂合金。相關論文分别以“Developing a low-alloyed fine-grained Mg alloy with high strength-ductility based on dislocation evolution and grain boundary segregation”和“Significantly enhanced grain boundary Zn and Ca co-segregation of dilute Mg alloy via trace Sm addition”為題發表于Scripta Materialia和Materials Science & Engineering A。
圖1 論文封面
目前，已有一些研究通過調節變形工藝（例如擠壓溫度和擠壓速度）在擠壓過程中獲得理想的微觀結構（即具有适當位錯密度的細晶結構）從而制備低合金化高強塑性鎂合金。事實上，在擠壓過程中直接獲得如此理想的微觀結構很困難。然而如果隻是通過擠壓實現高強度（低塑）要相對容易的多。例如，可以通過低溫低速擠壓工藝引入高密度位錯和細晶組織獲得超高強度。而這類合金塑性的提高可以考慮後續退火調控位錯密度。但這裡有一關鍵問題值得注意，通過後續退火調控細晶鎂合金中位錯時也很容易引起晶粒的顯著長大，可能導緻塑性顯著增加，但強度急劇下降。因此，如果能夠抑制退火調控位錯過程中的晶粒生長，有望為開發低合金化高強塑性鎂合金提供一種簡便易行的新方法。
晶界元素偏析是抑制退火過程中晶粒長大的有效手段。因此，研究人員首先對如何提高晶界偏聚水平進行了探索。為準确研究晶界偏聚及其影響，研究者對實驗進行了精心設計，排除其他因素的影響，包括初始晶粒尺寸、織構、晶界類型以及第二相，基于負混合焓和最小化晶界位錯彈性應變原則，發現了添加微量RE元素可以顯著提高鎂合金中常用元素（Zn和Ca）的偏聚濃度，有效抑制退火過程中的晶粒長大（圖1）。另外，也證實晶界偏聚濃度的增加可以提高擠壓合金的屈服強度。利用微量稀土元素添加提高晶界偏聚水平，為設計和開發低合金化高性能鎂合金提供了新思路。（MSEA831 (2022) 142259）
圖2 （a）無稀土鎂合金和 （c）含微量稀土鎂合金的晶界偏聚含量 （b）無稀土鎂合金和 （d）含微量稀土鎂合金在相同退火條件下的晶粒長大情況 （e）不同退火狀态下含/不含稀土鎂合金的屈服強度
基于以上晶界偏聚研究，研究者通過合金化設計結合低溫低速擠壓+退火工藝，綜合利用晶界偏聚和位錯調控，提出一種開發低合金化高強塑性鎂合金的新方法。首先,采用低溫低速擠壓工藝制備出超高強度低合金化Mg-2Sm-0.8Mn-0.6Ca-0.5Zn（wt%）合金，該擠壓合金屈服強度達到453MPa，但塑性較差（延伸率僅3.2%）（圖2），超高的強度主要源于擠壓過程中形成的含有高密度殘餘位錯和納米錳沉澱的細晶結構。然後，協同考慮位錯回複、靜态再結晶和晶粒生長等因素，采用350°C作為退火溫度，退火15分鐘後的合金（HT15合金）表現出高強度和高塑性的優異組合，其中，屈服強度為403MPa，伸長率為15.5%（圖2）。退火合金仍然能保持相當高強度的關鍵在于Sm/Zn/Ca元素的晶界共偏聚有效抑制退火過程中的晶粒生長（圖3）；另一方面，退火過程适當降低了位錯密度，特别是不可動S-<c+a>位錯向晶界的演化，是退火合金塑性顯著提高的重要原因（圖2）。（Scripta Mater. 209 (2022) 114414）
圖3 擠壓态合金和退火15min合金（HT15合金）的微觀組織和力學性能。
圖4 HAADF圖像和對應的EDS能譜圖顯示 （a）大角度晶界的元素偏聚和 （b）位錯的無偏聚現象
審查人：王君