ZK60镁合金两步固溶处理抑制异常晶粒生长的机制与策略研究

为解决ZK60镁合金在高温固溶处理中易出现异常晶粒生长（AGG）的问题，研究人员提出了一种两步固溶处理（GST）策略。通过调控初级固溶（PST）温度和时间，显著抑制了次级固溶（SST）过程中的AGG现象，使异常晶粒宽度从1473 μm降至71 μm，同时力学性能显著提升，延伸率、断裂点和最大弯曲力分别提高88.58%、32.63%和128.50%。该研究为镁合金热处理工艺优化提供了新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、轨道交通等领域具有广阔应用前景，但其室温成形性差、高温易发生异常晶粒生长（AGG）等问题严重制约了性能提升。尤其在采用多孔模挤压（PDE）工艺制备空心镁型材时，纵向焊缝（L-welds）区域因高应变能存储更易发生AGG，导致力学性能和耐蚀性显著下降。传统预变形抑制方法会引入尺寸不稳定性，难以满足精密部件需求。

针对这一难题，研究人员创新性地设计了两步梯度固溶处理（GST）方案：先在低温（325°C）进行初级固溶（PST）以调控组织状态，再于高温（420°C）实施次级固溶（SST）。通过系统研究PST参数对微观组织演变的影响规律，揭示了AGG抑制机制。该成果发表于《Journal of Magnesium and Alloys》。

研究采用多孔模挤压制备ZK60镁合金型材，通过电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向，透射电镜（TEM）表征析出相结构，结合拉伸/弯曲试验评估力学性能。重点考察了PST时间（3-84小时）对位错密度、析出相类型及界面特性的影响。

3.1 挤压态微观组织
EBSD显示焊缝区为平均尺寸1.64 μm的等轴晶，含高密度小角度晶界（LAGBs）。TEM观察到晶内存在大量被MgZn₂
相钉扎的位错线，该相与α-Mg基体呈共格关系，界面能较低。

3.2 PST过程中的晶粒生长
325°C处理时AGG完全被抑制，晶粒尺寸稳定在2 μm左右。延长PST时间至84小时，//ED取向晶粒的30°大角度晶界比例从20.48%降至15.98%，削弱了其生长优势。

3.3 SST过程中的AGG抑制
PST时间显著影响后续SST效果：当PST从3小时延长至84小时，异常晶粒宽度从1473 μm锐减至71 μm。PS325-84试样表现出均匀的等轴晶组织，延伸率提升至17.84%，最大弯曲力提高32.63%。

4.1-4.3 抑制机制分析
TEM揭示关键机制：（1）位错密度随PST时间增加而降低，PST-84试样的存储能不足以为AGG提供驱动力；（2）MgZn₂
相从共格（0.84%错配度）转变为半共格（8.16%错配度），同时Mg₄
Zn₇
（非共格）和Mg₂
Zn₃
（半共格）相数量显著增加，界面能提升使晶界迁移阻力增大。

该研究通过精准调控固溶工艺参数，实现了"低温消能+高温钉扎"的协同抑制效果。相比传统预变形法，GST策略无需额外加工步骤，为精密镁合金部件的热处理提供了新范式。研究不仅阐明了析出相界面工程对AGG的调控机制，还为其他金属材料的晶粒尺寸控制提供了理论参考。