低温非对称挤压制备TC4/VK20镁基复合材料板材的力学性能强化机制研究

本研究针对镁合金因HCP（六方密排）晶格导致的室温成形性差、强度不足等问题，通过搅拌铸造结合非对称挤压（AE）技术制备TC4颗粒增强VK20镁基复合材料板材。研究发现400°C AE工艺使材料获得47.721 GPa弹性模量、251 MPa屈服强度（YS）和262 MPa极限抗拉强度，较基体合金强度提升31%，同时保持7.1%延伸率。通过DIC（数字图像相关）分析和界面Al2 Zr相表征，揭示了细晶强化与异质变形诱导（HDI）强化的协同作用机制，为航空航天轻量化结构材料开发提供新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和汽车工业中具有巨大应用潜力，但其六方密排（HCP）晶体结构导致室温下可启动的滑移系有限，表现出明显的基面织构和力学性能各向异性，严重制约了加工成形性和实际应用。传统挤压工艺虽能改善性能，但难以同时满足高强度和高塑性的需求。针对这一挑战，重庆大学材料科学与工程学院的研究团队创新性地采用低温非对称挤压（AE）技术，开发出TC4颗粒增强Mg-2Gd-0.5Zr（VK20）镁基复合材料板材，系统研究了其微观结构演变与力学性能强化机制，相关成果发表在《Materials Science and Engineering: A》上。

研究采用搅拌铸造结合400°C非对称挤压的工艺路线，通过电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）进行微观结构表征，结合数字图像相关（DIC）技术分析变形行为，并利用万能试验机测试力学性能。

【材料】选用含2 wt.% Gd和0.5 wt.% Zr的VK20合金为基体，添加4 wt.% TC4（Ti-6Al-4V）颗粒作为增强相。XRD分析显示复合材料中形成MgGd和Al₂
Zr界面相。

【微观结构表征】EBSD结果表明AE工艺使TC4颗粒呈层状分布，显著细化晶粒至3.2μm，弱化基面织构强度至2.71。TEM证实Al₂
Zr界面相具有机械稳定性（弹性常数满足Born准则），但其泊松比（0.178）和B/G值（1.27）预示脆性特征。

【应力-应变演化】DIC分析揭示TC4颗粒在拉伸过程中产生应变梯度，诱发几何必需位错（GNDs）积累，形成显著的异质变形诱导（HDI）强化效应，贡献约28%的强度提升。

【结论】研究证实：1）400°C AE工艺使复合材料屈服强度（251 MPa）较基体合金提升31%，归因于细晶强化（Hall-Petch效应）和HDI强化的协同作用；2）Al₂
Zr界面相虽提高强度但降低塑性；3）断口形貌显示大量细密韧窝，TC4颗粒表面形成的粘附产物有效阻碍界面剥离。该研究为开发高性能镁基复合材料提供了新思路，特别适用于飞机蒙皮等对轻量化和承载性能要求苛刻的领域。

讨论部分强调，非对称挤压特有的强烈剪切应变实现了传统工艺难以达到的颗粒均匀分布和织构调控，而低温加工避免了过度界面反应。尽管脆性界面相限制了塑性提升，但通过优化颗粒含量和挤压参数有望进一步改善强塑性匹配。这项技术突破对推动镁合金在结构件领域的实际应用具有重要意义。