镁合金作为最轻的金属结构材料，在汽车、3C电子等领域具有巨大的应用潜力。然而，高强度和高塑性难以协调一直是限制镁合金广泛应用的主要阻碍。目前，开发的典型高强/超高强镁合金是高稀土含量的时效型变形镁合金，合金的强化主要源于纳米沉淀、细晶结构以及强织构。这类合金的高强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，在低合金化条件下制备高强塑性镁合金逐渐成为研究的热点。
近期，哈尔滨工程大学的张景怀课题组综合利用晶界偏聚和位错调控开发出低合金化高强塑性细晶镁合金。相关论文分别以“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”为题发表于Scripta Materialia和Materials Science & Engineering A。
图1 论文封面
目前，已有一些研究通过调节变形工艺（例如挤压温度和挤压速度）在挤压过程中获得理想的微观结构（即具有适当位错密度的细晶结构）从而制备低合金化高强塑性镁合金。事实上，在挤压过程中直接获得如此理想的微观结构很困难。然而如果只是通过挤压实现高强度（低塑）要相对容易的多。例如，可以通过低温低速挤压工艺引入高密度位错和细晶组织获得超高强度。而这类合金塑性的提高可以考虑后续退火调控位错密度。但这里有一关键问题值得注意，通过后续退火调控细晶镁合金中位错时也很容易引起晶粒的显著长大，可能导致塑性显著增加，但强度急剧下降。因此，如果能够抑制退火调控位错过程中的晶粒生长，有望为开发低合金化高强塑性镁合金提供一种简便易行的新方法。
晶界元素偏析是抑制退火过程中晶粒长大的有效手段。因此，研究人员首先对如何提高晶界偏聚水平进行了探索。为准确研究晶界偏聚及其影响，研究者对实验进行了精心设计，排除其他因素的影响，包括初始晶粒尺寸、织构、晶界类型以及第二相，基于负混合焓和最小化晶界位错弹性应变原则，发现了添加微量RE元素可以显著提高镁合金中常用元素（Zn和Ca）的偏聚浓度，有效抑制退火过程中的晶粒长大（图1）。另外，也证实晶界偏聚浓度的增加可以提高挤压合金的屈服强度。利用微量稀土元素添加提高晶界偏聚水平，为设计和开发低合金化高性能镁合金提供了新思路。（MSEA831 (2022) 142259）
图2 （a）无稀土镁合金和 （c）含微量稀土镁合金的晶界偏聚含量 （b）无稀土镁合金和 （d）含微量稀土镁合金在相同退火条件下的晶粒长大情况 （e）不同退火状态下含/不含稀土镁合金的屈服强度
基于以上晶界偏聚研究，研究者通过合金化设计结合低温低速挤压+退火工艺，综合利用晶界偏聚和位错调控，提出一种开发低合金化高强塑性镁合金的新方法。首先,采用低温低速挤压工艺制备出超高强度低合金化Mg-2Sm-0.8Mn-0.6Ca-0.5Zn（wt%）合金，该挤压合金屈服强度达到453MPa，但塑性较差（延伸率仅3.2%）（图2），超高的强度主要源于挤压过程中形成的含有高密度残余位错和纳米锰沉淀的细晶结构。然后，协同考虑位错回复、静态再结晶和晶粒生长等因素，采用350°C作为退火温度，退火15分钟后的合金（HT15合金）表现出高强度和高塑性的优异组合，其中，屈服强度为403MPa，伸长率为15.5%（图2）。退火合金仍然能保持相当高强度的关键在于Sm/Zn/Ca元素的晶界共偏聚有效抑制退火过程中的晶粒生长（图3）；另一方面，退火过程适当降低了位错密度，特别是不可动S-<c+a>位错向晶界的演化，是退火合金塑性显著提高的重要原因（图2）。（Scripta Mater. 209 (2022) 114414）
图3 挤压态合金和退火15min合金（HT15合金）的微观组织和力学性能。
图4 HAADF图像和对应的EDS能谱图显示 （a）大角度晶界的元素偏聚和 （b）位错的无偏聚现象
审查人：王君