关于添加摩擦搅拌沉积的Mg-Gd-Y合金中双异质结构的研究：形成机制与力学响应

《Journal of Magnesium and Alloys》：Study on dual-heterostructure in additive friction stir deposited Mg-Gd-Y alloys: Formation mechanism and mechanical response

细晶与粗晶交替的双异质结构Mg-Gd-Y-Zr合金通过摩擦搅拌沉积制备，纳米多相簇钉扎晶界抑制粗化，界面应变梯度激活多滑移系，实现强度（峰值时效411 MPa）与延展性（19.5%）协同提升。

　　镁合金因其轻质和良好的比强度，被认为是交通运输和航空航天领域极具前景的结构材料。然而，其在常温下的强度和延展性之间的矛盾一直是制约其广泛应用的主要障碍。传统的镁合金加工方法往往难以同时提高这两项性能，因此，研究人员一直在探索新的工艺以突破这一瓶颈。近年来，异质微结构的构建被证明是一种有效的策略，能够克服镁合金的强度-延展性权衡问题。通过异质结构的设计，材料可以在变形过程中激活更多的非基面滑移系统，从而提高其塑性变形能力，同时增强强度。

本文研究了一种通过**添加剂摩擦搅拌沉积（AFSD）**技术制造的异质微结构，该技术是一种新兴的固态增材制造方法，具有高成型率和相对灵活的加工条件。研究采用的合金为**Mg-6.49Gd-2.74Y-0.45Zr（wt.%）**，通过AFSD工艺，成功制备出具有交替分布的细晶（FG）带和粗晶（CG）带的双异质结构。这种结构中，FG带富含高密度的纳米级多相团簇，而CG带则仅含有少量的纳米级团簇。这种独特的微结构不仅实现了高强度和良好延展性的协同提升，还为开发高性能的镁-稀土（Mg-RE）合金提供了新的思路。

### 微结构形成机制

AFSD过程中，镁合金经历了复杂的热力学和力学条件。在沉积过程中，加工方向与温度监控系统相结合，使得材料在极端变形条件下形成非平衡状态。这一过程主要包括以下几个阶段：

1. **阶段一：由稀土元素（RE）富集的共晶相碎片引发的再结晶（DRX）**
在AFSD过程中，由于强烈的塑性变形，镁合金的晶粒发生均匀粗化，随后进入连续的动态再结晶阶段。在靠近界面的区域，共晶相发生断裂并沿晶界形成带状分布，从而激活了**粒子诱导成核（PSN）**机制。这种机制使得再结晶的细晶在特定区域优先成核，形成具有明显带状特征的微结构。此外，共晶相的断裂还促进了稀土元素的非均匀分布，导致晶界处的稀土元素富集。

2. **阶段二：共晶相的完全溶解与稀土元素的过饱和固溶**
在极端热机械条件下，共晶相迅速溶解，形成富含稀土元素的过饱和固溶体。这一过程使得材料进入一种非平衡状态，其中稀土元素的溶解率显著增加，超过了平衡溶解度。通过温度监测和原位分析，研究人员发现，随着温度的升高，稀土元素的溶解和扩散能力增强，最终在晶界处形成过饱和固溶体。这种固溶体为后续的纳米级多相团簇的析出提供了必要的条件。

3. **阶段三：纳米级多相团簇的非均匀析出及其对晶界迁移的抑制作用**
在过饱和固溶体的区域，纳米级多相团簇开始析出。这些团簇包括**Mg₅RE、GdH₂、Mg₂₄RE₅和RE₂O₃**等。由于纳米团簇的高界面能和加工过程中的高温条件，它们在晶界处形成密集的团簇结构，有效抑制了晶粒的生长。这种抑制作用被称为**Zener钉扎效应**，是实现晶粒尺寸异质性的关键因素之一。

### 机械性能的提升

AFSD合金在常温下的机械性能显著优于原始材料。通过**纳米压痕测试**，研究人员发现FG带的硬度明显高于CG带，且在峰值时效处理后，CG带的硬度增长幅度是FG带的两倍以上。这种硬度差异表明，FG带和CG带在力学行为上具有显著的不兼容性，从而在变形过程中产生更强的应力梯度。这种应力梯度被称为**异变形诱导（HDI）应力**，能够有效促进材料的塑性变形。

在**拉伸试验**中，AFSD合金表现出良好的综合性能。其屈服强度（YS）达到**262.2 MPa**，极限抗拉强度（UTS）为**289.2 MPa**，延展性为**19.5 %**。经过峰值时效处理后，YS进一步提升至**411.0 MPa**，UTS达到**437.4 MPa**，而延展性下降至**4.6 %**。尽管延展性有所降低，但其强度的显著提升表明，AFSD技术能够有效增强镁合金的力学性能。

### 异质结构对变形行为的影响

为了进一步理解异质结构对变形行为的影响，研究人员进行了**原位拉伸测试**，并结合EBSD和SEM图像对晶粒的滑移行为进行了分析。结果显示，FG带和CG带在不同应变阶段表现出不同的滑移模式。CG带由于其较高的应变积累能力，更容易激活非基面滑移系统，如**棱柱滑移（prismatic slip）**和**棱锥滑移（pyramidal slip）**。而FG带由于其高硬度和纳米团簇的阻碍作用，滑移行为主要集中在晶界附近。

此外，**滑移痕迹的统计分析**表明，位于CG/FG界面的晶粒比非界面晶粒具有更高的滑移活动率。这种现象可能与界面处的应变梯度和几何必要位错（GNDs）的积累有关。界面处的应变梯度不仅促进了位错的堆积，还增强了界面处的剪切应力场，从而进一步激活非基面滑移系统。

### 纳米团簇对位错运动的阻碍作用

纳米级多相团簇对位错运动的阻碍作用是本研究的一个重要发现。通过**透射电子显微镜（TEM）**和**扫描透射电子显微镜（STEM）**的观察，研究人员发现，FG带中的位错被纳米团簇有效“钉扎”，导致位错运动受限。这种钉扎效应可以通过**Orowan机制**进行解释，即位错在穿过纳米颗粒时被迫绕行，从而增加了材料的加工硬化能力。此外，纳米团簇还促进了位错的生成，进一步增强了材料的强度。

### 研究意义与未来展望

本研究不仅揭示了AFSD技术在制造异质结构方面的潜力，还为开发高性能的镁-稀土合金提供了新的思路。通过合理设计异质结构，可以实现材料强度与延展性的协同提升。此外，AFSD技术还具有良好的可扩展性，能够用于大规模生产，克服了传统异质材料在经济性和生产规模方面的限制。

未来的研究可以进一步探索AFSD工艺对不同成分镁合金的影响，以及如何通过调控工艺参数（如旋转速度、移动速度等）优化异质结构的形成。此外，研究还可以扩展至其他类型的镁合金，以评估AFSD技术在不同合金体系中的适用性。随着材料科学的不断发展，AFSD技术有望成为一种高效、经济的制备高性能镁合金的新方法，推动其在工业领域的应用。