铸态Mg-Y合金晶界热稳定性及其对室温和高温力学性能的影响机制研究

本研究针对Mg-RE合金在固溶处理中晶界热稳定性不足导致异常晶粒长大的问题，通过对比Zr与Al2 Y细化合金的晶界稳定性（500-590 °C）及力学性能，发现Al2 Y细化合金在570 °C下仍保持晶界稳定性，且250 °C屈服强度与室温相当。LPSO相抑制晶界迁移是性能提升的关键，为大型复杂铸件开发提供理论支撑。

　　

镁稀土（Mg-RE）合金因其优异的比强度和高温性能，在航空航天等领域备受青睐。然而，大型复杂铸件在固溶处理时面临严峻挑战——壁厚差异导致冷却速率不均，引发晶粒尺寸悬殊（如10 mm区域晶粒42 μm增至48 μm，70 mm区域115 μm暴增至138 μm），最终造成力学性能断崖式下跌。更棘手的是，传统Zr细化合金在高温固溶时晶界失稳，而增材制造或变形加工获得的细晶组织也会因热处理“一夜回到解放前”（如激光沉积VW103K合金晶粒从19 μm飙升至158 μm）。这些“先天不足”让Mg-RE合金在工程应用时如履薄冰。

针对这一困局，上海交通大学等机构的研究人员独辟蹊径，将目光投向具有“双刃剑”特性的Al元素——既能形成Al₂
Y异质形核点细化晶粒，又能诱导长周期堆垛有序（LPSO）相钉扎晶界。研究团队设计了两组对照合金：传统Zr细化的Mg-2.8Y-0.1Zr与新型Al₂
Y细化的Mg-2.8Y-0.8Al（at.%），通过差热分析、高温原位观察、EBSD取向成像等技术，系统评估了500-590 °C温度区间的晶界稳定性，并测试了室温和250 °C下的拉伸性能。

微结构与拉伸性能
Al₂
Y细化合金展现出“双保险”优势：多边形Al₂
Y颗粒位于晶内，条状Al₂
Y富集于晶界，二者原子比均接近2:1（Y:Al）。这种空间分布使合金在570 °C×48 h处理后仍保持晶界稳定，而Zr细化合金在所有测试温度下均“溃不成军”。力学测试更令人振奋：虽然两种合金在固溶态室温强度相当，但Al₂
Y合金在250 °C下屈服强度“稳如泰山”，与室温数据几乎无差异；经570 °C暴露后，其室温与高温强度均显著超越Zr细化合金。

晶界稳定机制
LPSO相扮演了“晶界锁”角色：在固溶初期形成的层片状18R-LPSO相（成分为Mg₁₂
YAl）通过两种机制“冻结”晶界——几何阻碍效应降低晶界迁移率，溶质拖拽效应抑制Y原子扩散。定量分析揭示，Al₂
Y合金的晶界强化贡献度比Zr合金高83 MPa，这正是性能差异的主因。

结论与展望
该研究首次量化论证了Al₂
Y细化合金的晶界热稳定性优势：LPSO相使晶界在570 °C仍保持“零迁移”，较传统Zr合金适用温度窗口提升70 °C。这一发现为开发壁厚不敏感的大型Mg-RE铸件提供了新思路——通过精准调控Al/Y比，既可实现“一石二鸟”的晶粒细化与晶界钉扎，又能规避Zr合金的偏析缺陷。未来研究可进一步探索Al₂
Y/LPSO协同效应对疲劳性能的影响，推动Mg-RE合金在航空发动机部件等极端环境的应用。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》。