通过结合控制扩散凝固和轧制工艺，制备出的低合金Mg–2Y合金实现了卓越的强度-塑性协同效应

《Journal of Magnesium and Alloys》：Achievement of exceptional strength-plasticity synergy for low-alloyed Mg–2Y alloy prepared by combining controlled diffusion solidification with rolling

镁合金晶粒细化与性能优化机制研究

　　镁合金因其优异的比强度、良好的阻尼性能和电磁屏蔽特性，被视为轻量化材料的优选之一。然而，传统铸造工艺制备的镁合金铸锭往往存在晶粒粗大、成分偏析和第二相颗粒粗大的问题，这些缺陷会显著影响后续加工性能和材料的力学性能。为此，研究者们尝试通过不同的加工技术来改善镁合金的微观结构，从而提升其强度和塑性。本文研究了通过结合控制扩散凝固（CDS）和轧制技术处理的Mg–2Y合金的性能变化，揭示了其在提升性能方面的独特优势。

### 铸造工艺对镁合金性能的影响

传统铸造（CC）工艺制备的Mg–2Y铸锭表现出较大的晶粒尺寸，通常在1000 μm以上，这会限制其在高温和高应力条件下的应用。同时，CC铸锭中仅存在少量的Mg₂₄Y₅纳米颗粒，约占0.26%，并且其晶粒结构中形成了一种强烈的C型织构，这会显著降低材料的塑性。相比之下，采用CDS工艺制备的Mg–2Y铸锭具有更细的晶粒尺寸，大约为5.57 μm，同时Mg₂₄Y₅纳米颗粒的含量显著提高，达到1.79%。此外，CDS铸锭的C型织构被明显削弱，其织构强度仅为7.74。这种微观结构的优化不仅提升了材料的强度，还改善了其塑性。

通过将CDS工艺与轧制技术结合（CDS-10-R），Mg–2Y合金的强度提升了约51.8%，塑性增加了约32.6%。这种显著的性能提升主要归因于晶粒细化强化和析出强化的协同作用。晶粒细化强化在强度提升中贡献了约42.1%，而析出强化则贡献了约39.6%。此外，CDS-10-R工艺的实施有效削弱了{0001}基底织构，促进了<c + a>滑移系的激活，从而增强了材料的塑性。CDS-10-R合金的优异性能表明，通过优化铸造工艺和加工技术的结合，可以实现低合金稀土镁合金的高强高塑性能。

### 铸造与轧制工艺的协同作用

Mg–2Y合金的制备通常需要先进行铸造，再通过热机械处理进一步优化其性能。铸造工艺对合金的微观结构和性能起着至关重要的作用，尤其是晶粒大小、成分均匀性和内部缺陷。例如，传统铸造工艺容易导致晶粒粗大、成分偏析和第二相颗粒粗大，这些缺陷会降低合金的强度和塑性。相比之下，CDS工艺通过控制熔体的温度差异和成分扩散，能够有效细化晶粒，提高第二相纳米颗粒的含量，并削弱基底织构，从而为后续轧制工艺提供更优质的原料。

在轧制过程中，Mg–2Y合金的晶粒进一步细化，并且形成大量变形孪晶。变形孪晶的形成与合金的加工变形有关，特别是在低滑移系活性的镁合金中，变形孪晶成为主要的塑性变形机制。CC-R和CC-10-R合金的晶粒尺寸分别为14.47 μm和11.87 μm，而CDS-10-R合金的晶粒尺寸进一步细化至5.57 μm。此外，CDS-10-R合金的变形孪晶含量较低，而CC-R和CC-10-R合金的变形孪晶含量较高，这表明CDS工艺在抑制变形孪晶形成方面具有显著优势。

在轧制过程中，Mg–2Y合金的织构也会发生变化。CC-R和CC-10-R合金均表现出强烈的C型织构，而CDS-10-R合金的C型织构被显著削弱。这种织构的变化对材料的塑性有重要影响，因为C型织构的削弱会促进非基底滑移系的激活，从而提高合金的塑性。此外，CDS-10-R合金的织构变化也与晶粒细化和析出强化密切相关，这些机制共同作用，使得CDS-10-R合金在强度和塑性方面均优于传统工艺制备的合金。

### 机械性能的提升机制

通过CDS工艺与轧制技术的结合，Mg–2Y合金的机械性能得到了显著提升。其强度提升主要得益于晶粒细化和析出强化。晶粒细化强化是由于晶粒尺寸的减小，使得位错运动的阻力增加，从而提高材料的强度。析出强化则是由于Mg₂₄Y₅纳米颗粒的形成，这些颗粒能够阻碍位错运动，提高材料的强度。同时，CDS-10-R合金的位错密度显著增加，这表明其在轧制过程中引入了更多的位错，从而增强了材料的强度。

在塑性方面，CDS-10-R合金的性能提升主要归因于织构的削弱和变形孪晶机制的改变。CDS-10-R合金的C型织构被显著削弱，这使得非基底滑移系更容易被激活，从而提高合金的塑性。此外，CDS-10-R合金的变形孪晶机制主要由扩展孪晶主导，而扩展孪晶与基体之间的界面具有良好的协调性，有助于变形的均匀分布和塑性增强。相比之下，传统工艺制备的合金由于织构较强，其塑性受到限制。

### 微观结构的演变与变形机制

通过电子背散射衍射（EBSD）分析，研究者发现CDS-10-R合金在轧制过程中经历了显著的微观结构演变。在20%的厚度减小后，CDS-10-R合金的变形带和细小等轴亚晶粒形成，这表明材料的晶粒在轧制过程中发生了细化。随着轧制程度的增加，变形带进一步细化，基底织构被显著削弱，最终形成了更均匀的晶粒结构。这种晶粒细化和织构削弱的过程对材料的性能提升起到了关键作用。

此外，CDS-10-R合金的变形孪晶机制与传统工艺制备的合金有所不同。传统工艺制备的合金主要依赖于双孪晶和压缩孪晶，而CDS-10-R合金则以扩展孪晶为主。扩展孪晶的形成不仅有助于塑性变形的协调，还能促进非基底滑移系的激活，从而提高材料的塑性。通过进一步的位错观察，研究者发现CDS-10-R合金在8%的拉伸应变下激活了更多的<c + a>位错，这表明其塑性变形机制更加复杂和高效。

### 塑性提升的机制

CDS-10-R合金的塑性提升主要得益于两个因素：一是变形孪晶对塑性变形的协调作用，二是基底织构的削弱促进了非基底滑移系的激活。扩展孪晶的形成使得材料在变形过程中能够更均匀地分布应力，从而减少局部应力集中，提高塑性。同时，基底织构的削弱使得非基底滑移系更容易被激活，从而提高材料的塑性。这种协同作用使得CDS-10-R合金在塑性方面表现出色。

在断裂机制方面，CDS-10-R合金的断裂形态主要由细小的缩孔和撕裂脊组成，没有出现明显的脆性断裂特征，如裂纹平面。这表明CDS-10-R合金具有良好的塑性，其断裂行为主要表现为塑性断裂。相比之下，传统工艺制备的合金在断裂时往往表现出裂纹平面和缩孔的混合形态，脆性断裂特征较为明显，这会降低其塑性。

### 结论

综上所述，结合控制扩散凝固（CDS）和轧制技术处理的Mg–2Y合金表现出优异的强度和塑性组合。CDS工艺通过优化熔体的温度和成分分布，显著细化了晶粒，提高了第二相纳米颗粒的含量，并削弱了基底织构，为后续轧制工艺提供了更优质的原料。轧制工艺则进一步细化了晶粒，激活了更多的非基底滑移系，并抑制了变形孪晶的形成，从而提高了材料的强度和塑性。通过CDS和轧制的协同作用，Mg–2Y合金不仅实现了高强高塑的性能，还避免了传统工艺中因添加高含量稀土元素而导致的成本增加问题。因此，该研究为低合金稀土镁合金的性能提升提供了一种新的途径，具有重要的应用前景。