通过高通量旋转挤压技术调整Mg-Gd-Y-Zr合金的晶粒结构和织构成分，以获得最佳的机械性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Tailoring the grain structure and texture component of Mg-Gd-Y-Zr alloy via high-throughput rotary extrusion for optimal mechanical properties

镁合金梯度应变调控与力学性能协同优化研究

　　镁合金因其密度低、比强度高而被认为是轻量化应用的理想材料。然而，其实际应用一直受到强度与延展性之间权衡效应的限制。传统的加工方法虽然可以改善镁合金的性能，但在实现多维性能协调方面仍存在一定的困难，同时，梯度结构的制备技术也面临工程应用受限等问题。为了解决这些瓶颈，研究人员提出了一种高通量旋转挤压（High-throughput Rotary Extrusion, HTRE）技术，该技术能够在单次加工过程中实现镁合金的梯度应变调控和大尺寸（?198 mm×200 mm）圆柱形构件的成型。这一创新性的方法为镁合金的工业应用提供了新的思路和策略。

镁合金在航空航天、汽车制造和生物医学等领域的应用潜力巨大，但其广泛应用受到材料自身性能的制约。镁合金的晶体结构决定了其滑移系统有限，同时在变形过程中容易形成强基面织构，这使得其在强度和延展性之间难以取得平衡。传统的热机械加工技术，如挤压、轧制等，虽然可以通过控制动态再结晶（Dynamic Recrystallization, DRX）和织构发展来提升材料性能，但这些方法主要针对的是均匀结构或均匀变形模式的材料，难以满足镁合金在不同区域的差异化性能需求。近年来，随着梯度结构材料的研究深入，人们发现通过调控晶粒尺寸、织构类型和析出相分布，可以实现强度与延展性的协同提升。这种策略为突破镁合金的性能瓶颈提供了新的方向。

然而，现有的梯度结构制备技术仍存在一些局限性。一方面，工程应用受限，难以制备大尺寸和复杂形状的构件；另一方面，缺乏高通量策略，导致数据获取效率低下，难以快速评估材料性能与加工工艺之间的关系；此外，加工过程与微观结构之间的关联性较弱，使得对梯度应变与微观结构演变的定量调控变得困难。高通量技术的出现为快速筛选材料性能与加工工艺之间的关系提供了新的可能性，但现有的方法仍难以同时满足多轴应变控制和大尺寸构件成型的双重需求。

为了解决上述问题，本研究提出了一种高通量旋转挤压技术。该技术结合了压缩应力和剪切应力的时空协同驱动效应，使得单个样品在单次加工过程中能够实现连续梯度变形和大尺寸构件的成型。相比传统的“单次实验对应单个数据”的模式，HTRE技术实现了高通量特性，能够在单个样品中集成多种应变状态，从而提高了材料性能调控的效率。这种技术不仅加速了“加工-微观结构-性能”之间的关系建立，还为突破镁合金的强度与延展性之间的权衡效应提供了新的方法。

本研究将HTRE技术应用于镁-Gd-Y-Zr合金的圆柱形构件制备中，实现了连续梯度变形和精确成型。通过单次加工过程，样品呈现出多种状态，研究人员对不同区域的微观结构演变和机械性能变化进行了系统分析。此外，本研究还对梯度应变的形成机制进行了深入探讨，并建立了“双应力场模型”，对应力-应变场的发展模式进行了分析。研究结果表明，梯度应变对晶粒细化机制和织构偏转模式具有显著影响，同时揭示了如何通过调控应变来实现对微观结构和性能的定向优化。

从实验结果来看，HTRE样品的微观结构和机械性能呈现出明显的空间梯度特征，这一特征主要沿轴向（Axial Direction, AD）和径向（Radial Direction, RD）方向分布。空间梯度应变的形成使得不同区域的晶粒结构、析出相和晶粒取向呈现出差异，从而主导了机械性能的梯度演变。具有梯度层状结构和c轴//AD取向的区域表现出更优异的机械性能。这种空间梯度应变的形成机制源于HTRE技术中压缩应力和剪切应力的时空协同作用，而“双应力场模型”的建立则为实现对空间梯度应变的主动调控提供了理论工具。

HTRE技术的连续梯度变形模式不仅突破了传统加工方法的局限，还实现了高通量加工的优势。与传统方法相比，HTRE能够在单个样品中同时承受多种应力-应变状态，从而提高了材料性能调控的效率。这种技术的出现，为镁合金的工业应用提供了新的策略。通过HTRE技术，研究人员能够更系统地探索材料性能与加工工艺之间的关系，为未来镁合金的性能优化和应用拓展奠定了基础。

本研究不仅验证了HTRE技术在镁合金加工中的可行性，还揭示了其在实现梯度结构和性能调控方面的独特优势。通过深入分析梯度应变对晶粒细化和织构偏转的影响，研究人员进一步探讨了如何通过应变调控实现对微观结构和性能的定向优化。这些研究成果不仅为镁合金的加工技术提供了新的思路，还为高通量平台的建立和优化提供了理论支持。未来，随着对HTRE技术的进一步研究，有望实现更高效的镁合金加工，为轻量化材料的广泛应用提供更加坚实的技术基础。

本研究的成果对于镁合金的工业应用具有重要意义。首先，HTRE技术能够实现大尺寸构件的成型，解决了传统方法在工程应用上的局限性。其次，该技术能够实现多轴应变控制，使得不同区域的材料性能呈现出差异化，从而满足高强度与高延展性的协同需求。此外，HTRE技术的高通量特性使得数据获取和分析更加高效，为材料性能的快速评估提供了便利。通过建立“双应力场模型”，研究人员能够更系统地调控加工过程，实现对材料性能的定向优化。

目前，HTRE技术的梯度应变形成机制及其与微观结构和机械性能之间的关系仍需要进一步研究。虽然实验结果已经显示出该技术在实现空间梯度结构和性能调控方面的潜力，但具体的形成机制仍不明确。因此，未来的研究方向应包括对梯度应变形成机制的深入分析，以及对不同应变条件下的微观结构演变和性能变化的系统研究。此外，还需要探索如何通过优化加工参数，进一步提升HTRE技术在实际应用中的效果。

总之，本研究通过引入HTRE技术，成功实现了镁合金的梯度结构调控和大尺寸构件成型。这一技术不仅突破了传统加工方法的局限，还为镁合金的性能优化和工业应用提供了新的策略。通过建立“双应力场模型”，研究人员能够更系统地调控加工过程，实现对材料性能的主动优化。未来，随着对HTRE技术的进一步研究，有望实现更高效的镁合金加工，为轻量化材料的广泛应用提供更加坚实的技术基础。