东北大学秦高梧团队：开发新型轻质低合金化超高强度镁合金！

2021-05-31 13:41:35 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文通过较低的微合金化含量使得挤压态Mg-Ce-Al合金获得了较高的屈服强度（365 MPa），在Mg-0.2 wt.% Ce合金中加入微量的Al （0.05 wt.%）可以促进沿位错和晶界富集Ce-Al偏析的形成，可以有效地平衡热激活位错的回复，从而保证晶粒的细化。超细晶粒（420nm）主要与溶质的线性共偏析和平面共偏析有关，而不是传统的平面偏析和晶界的纳米沉淀。

近年来，高性能金属材料的一个新的发展方向是在成分低合金化概念的基础上保持优异的力学性能，目的是在不添加或添加少量溶质的情况下，稳定现有缺陷，从而促进超细/纳米晶粒的形成。镁，作为最轻的金属结构材料（密度约为铝的2/3和钢的1/4），在减轻重量方面发挥着重要的作用，在交通运输和航空航天领域有着巨大的应用潜力。根据“平坦化”的概念，低合金Mg材料由于其抗变形能力较低，代表着较高的成形性，近年来备受关注。此外，与传统的重合金镁合金相比，“普通”镁合金的密度持续下降了10 ~ 20%，而且减轻重量的优势更加明显。近年来，在Mg - 2Sn - 2Ca 变形镁合金中，无稀土和低合金化镁合金的最高强度达到了约460 MPa。这意味着可以通过优化溶质和加工路线的选择来避免过量的合金元素。因此，新型高强度低合金化镁合金具有良好的加工性能和较低的成本，具有广阔的工业应用前景。

然而，进一步降低合金元素的含量是需要的，开发低微合金化、高强度的Mg材料是更有吸引力的。一个明显的原因是，添加较低的合金元素可以有效避免第二相的形成，促进Mg基体的均匀腐蚀，大大提高的耐蚀性。利用微合金化设计实现Mg资源的循环利用和可持续开发具有重要意义。然而，在这种镁合金中实现明显的晶粒细化仍然是一个很大的挑战。

在本研究中，东北大学秦高梧教授团队选择Mg-0.2 wt.% Ce合金作为模型材料，该材料之前被证明是高韧性的。然而，Mg - Ce基合金的屈服强度通常较低，小于100 MPa。在此背景下，作者探索了一种新的微合金化Mg-Ce-Al合金，获得了意想不到的超细晶粒（420nm）和高强度（350 MPa以上）。相关研究成果以题“Development of novel lightweight and cost-effective Mg–Ce–Al wrought alloy with high strength”发表在 Materials research letters上。

链接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2021.1918776

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图1展示了 Mg-0.2Ce-0.05Al wt.% 样品的拉伸曲线，这些样品是通过传统的一步挤压制备的。当坯料在 260°C 的低温和约 0.5 毫米/秒的模具出口速度（指定为 AE260）下挤出时，拉伸样品的屈服强度（YS）测量为约 350 MPa。AE260 样品的断裂伸长率（EL）仅为 ~2.5%。当挤出温度升高到~300°C（指定为AE300，挤出速度相同~0.5 mm/s）时，AE300样品的拉伸YS增加到~365 MPa，EL也提高了约 6%。当镁坯料在 300°C 的相同温度下（指定为 AE300H）进一步提高挤压速度至 1.5 mm/s 时，AE300H 样品的 YS 降低至 286 MPa，同时获得了高 EL 9.5%。

图1。（a）AE260、AE300和AE300H试样的名义应力-应变曲线；（b）现有Mg - ce - al合金和先前报道的Mg变形合金的“每重量YS增量”和延性分布图。（c） AE260和（d） AE300挤压Mg样品的EBSD图像，附图为{10-10}极点图。

图2。挤压态（a - c） AE260、（d - f） AE300和（g - i） AE300H样品的TEM图像，包括（a,d,g） DRXed晶粒、（b,e,h）亚晶粒和（c,f,i）残余位错和伴随的纳米颗粒。纳米粒子分别用蓝色圆圈表示，残余位错用红色箭头表示。

图3。HAADF-STEM和（a-f） AE300和（g-i） AE300H样品对应的映射图像。证实了纳米mg12ce相和Al-Ce相的存在和GB偏析。

图4。对AE300样品的APT图进行了分析，包括（a） 60 nm × 60 nm × 318 nm修饰的弯曲位错和（b） 74 nm × 74 nm × 477 nm线性偏析的直线位错。% Ce等组成面）。本文提供了P1和P2的典型聚类的组成特征以及L1的典型线性特征。为行L2提供了x轴和y轴视图。（c） AE300中GB分离也明显。

综上所述，本文研制成功了一种重量轻、性价比高的Mg-Ce-Al稀挤压合金。少量Al的加入就可以在位错和GBs处诱发富Ce - Al偏析。这些线性和平面偏析的联合作用有效地保证了Mg-Ce-Al合金亚微米级的晶粒细化和高屈服强度。从资源节约型可持续材料的角度来看，镁合金高强度、低合金化含量的概念对镁合金的设计和开发具有重要的影响。

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