钇元素协同增强挤压态Mg-Zn-Zr-Ca合金力学性能与阻燃机制研究

本期推荐研究通过稀土钇（Y）元素合金化策略，显著提升了Mg-6Zn-0.6Zr-1.6Ca（ZKX602）合金的综合性能。研究发现Y的添加可细化晶粒、促使Ca2Mg6Zn3相向热稳定更高的W-Mg3Zn3Y2相转化，协同强化（synergistic strengthening）机制使合金抗拉强度提升至353MPa，点火温度提高至664°C，为高安全性镁合金医疗器械开发提供新思路。

　　

As-cast and as-homogenized microstructure

图2展示了铸态及均质化处理后合金的低倍与高倍SEM图像、铸态合金X射线衍射（XRD）图谱以及A-C点的能谱分析（EDS）结果。如图2(a₁)和(a₂)所示，两种铸态合金均呈现典型枝晶结构，大量粗大网状第二相沿枝晶界（GBs）分布。ZKX602合金中第二相完全呈暗色，含量达15.9%。图2(b₃)中A点EDS结果显示该区域富含Mg、Zn和Ca元素，原子比接近Mg:Zn:Ca=6:3:2，证实为Ca₂Mg₆Zn₃相。

Effect of co-addition of Ca and Y on microstructure

基于以上分析，ZKX602与ZKXW6001合金的微观结构存在显著差异。以下将详细讨论这两种不同合金化策略对晶粒特性和相形态的影响机制。

在铸态ZKX602合金中，单独添加1.85wt%的Ca导致粗大网状Ca₂Mg₆Zn₃相析出。由于Ca的低固溶度特性，这些Ca₂Mg₆Zn₃相以热不稳定形态保留在基体中。而ZKXW6001合金通过复合添加0.6wt%Ca与1.0wt%Y，促使第二相形态从连续网状转变为分散颗粒状，其主要成分转变为热稳定性更优的W-Mg₃Zn₃Y₂相。这种相变不仅有效抑制晶界迁移，还通过Zener钉扎效应阻碍晶粒长大，使动态再结晶（DRX）晶粒尺寸从ZKX602的2.7μm细化至ZKXW6001的1.8μm。

Conclusions

本研究制备了单一添加Ca的Mg-6Zn-0.6Zr-1.6Ca（ZKX602）和用稀土元素Y部分替代Ca的Mg-6Zn-0.6Zr-0.6Ca-1.0Y（ZKXW6001）两种合金，对比分析了单一Ca添加与Ca/Y复合添加对微观结构、力学性能及阻燃性的差异，并探究其强化与阻燃机制，主要结论如下：

(1) 两种铸态合金均形成枝晶结构，但ZKXW6001合金中Y的添加使第二相由Ca₂Mg₆Zn₃转变为W-Mg₃Zn₃Y₂相，相形态从连续网状变为离散颗粒状；

(2) 复合添加Y元素使动态再结晶晶粒尺寸减小33%，析出相数量增加且分布更均匀；

(3) ZKXW6001合金抗拉强度（353MPa）和屈服强度（301MPa）较ZKX602分别提升16%和19%，归因于细晶强化、析出强化与相变强化的协同作用；

(4) 点火测试表明ZKXW6001合金点火温度达664°C，较ZKX602（646°C）显著提升，源于Y₂O₃/YH₂保护膜与致密氧化层的协同防护效应。