铍在Mg-Zn-Y合金Y2 O3 膜晶界偏析对阻燃性与抗氧化性的调控机制研究

本研究针对镁合金易燃和易氧化的行业难题，通过原子探针断层扫描(APT)和软X射线发射光谱(SXES)技术，首次揭示了Be在Y2 O3 膜晶界的偏析行为及其对氧扩散的阻断作用，使Mg-Zn-Y-Be合金的着火温度提升至1360K，为航空用阻燃镁合金设计提供了理论依据。

　　

镁合金因其轻量化特性在航空航天领域应用前景广阔，但极高的易燃性长期制约其实际应用。2015年美国联邦航空管理局(FAA)虽出台镁合金燃烧测试标准，但开发能通过测试的阻燃镁合金仍是重大挑战。传统Mg-Zn-Y合金虽因形成Y₂
O₃
膜具有一定抗氧化性，但1153K的着火温度仍无法满足安全需求。

日本的研究团队发现添加微量铍(Be)可使着火温度跃升至1360K，接近镁的沸点。为揭示这一现象的本质机制，研究人员采用原子探针断层扫描(APT)和软X射线发射光谱(SXES)等先进表征技术，系统研究了Be在Y₂
O₃
膜中的分布状态及其对氧化行为的影响规律。

关键技术包括：(1)通过热重分析测定773-973K氧化动力学曲线；(2)采用掠入射X射线衍射(GI-XRD)鉴定氧化膜成分；(3)结合聚焦离子束(FIB)制备透射电镜样品，观察氧化膜形貌；(4)利用同步辐射X射线衍射原位测量高温应力；(5)通过APT三维重构和SXES分析Be化学状态。

【结果】

1. 非flammability与氧化行为
   Mg-1Zn-2Y-0.7Cu-0.1Be合金着火温度达1360K，较未添加Be的合金提高200K。热重分析显示，含Be合金在973K仍保持缓慢氧化速率，而对照组在873K即发生氧化膜破裂。

2. 氧化膜表征
   GI-XRD证实氧化膜为纯Y₂
   O₃
   相。HAADF-STEM显示含Be合金形成均匀无裂纹的纳米级氧化膜(厚度<100nm)，而对照组氧化膜存在明显裂纹且厚度达微米级。

3. Be分布特征
   SXES检测到104.5eV(BeO)和108.7eV(金属Be)特征峰。APT三维重构首次直观显示Be原子沿Y₂
   O₃
   晶界偏析，局部浓度超过13.8at%时形成BeO，与热力学计算结果一致。

4. 残余应力分析
   原位同步辐射测试发现，含Be合金的Y₂
   O₃
   膜在873K产生0.284GPa压应力，较对照组(0.071GPa)显著提升，这种应力状态能有效抑制氧化膜弯曲破裂。

【讨论与结论】
研究揭示了Be通过反应元素效应(REE)提升镁合金性能的双重机制：(1)金属Be和BeO堵塞Y₂
O₃
晶界这一氧扩散快速通道；(2)增强氧化膜压应力(达0.28GPa)，抑制高温下膜层开裂。热力学计算表明，当晶界处Be局部浓度超过平衡浓度时，会通过置换反应(Y₂
O₃
+Be→BeO+Y)生成BeO。

该研究不仅为设计航空级阻燃镁合金提供了明确方向——即通过微量Be(0.1at%)与稀土元素的协同作用构建纳米级保护膜，更创新性地将陶瓷材料的晶界工程策略应用于金属氧化膜设计。论文发表在《Materials Today Communications》的这项成果，对推动镁合金在飞机客舱等关键场景的应用具有重要实践意义。