高强度大尺寸Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的差温小挤压比制备工艺研究

针对大尺寸镁合金高强度制备难题，研究人员创新性采用差温小挤压比工艺（differential-thermal extrusion with small ratio），成功实现Mg-11Gd-2Y-1Zn-0.4Zr合金的强度-塑性协同提升（TYS 465 MPa，EL 6.0%）。该研究通过调控非动态再结晶（non-DRX）晶粒、堆垛层错（SFs）和长周期堆垛有序（LPSO）结构，为航空航天领域轻量化材料开发提供新策略。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和汽车工业的轻量化设计中具有战略意义。然而，传统镁合金的屈服强度远低于铝合金，这成为限制其大规模应用的关键瓶颈。近年来，通过添加稀土元素（RE，如Gd、Y）和锌（Zn）形成长周期堆垛有序（LPSO）相，镁合金的力学性能显著提升。但现有技术通常依赖大挤压比（>20:1）或小尺寸样品制备，难以满足工业级大尺寸构件的高强度需求。更棘手的是，低温挤压虽能提高强度，却往往导致塑性骤降（<5%），而常规差温挤压又受限于设备条件无法兼顾大尺寸生产。这些矛盾使得开发兼具高强度、良好塑性和大尺寸的镁合金成为材料科学领域的"圣杯"。

针对这一挑战，山东某研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性成果。研究人员选择经典Mg-11Gd-2Y-1Zn-0.4Zr（VWZ1121K）合金，创新性地将差温挤压（billet 510°C/die 350°C）与小挤压比（~4:1）工艺结合。通过精确控制固溶温度抑制静态析出，同时利用模具低温预冷加速动态冷却，成功制备出直径90 mm的大尺寸棒材。

关键技术包括：1）差温挤压工艺设计；2）小挤压比（~4:1）参数优化；3）时效硬化曲线分析；4）非动态再结晶（non-DRX）晶粒表征；5）透射电镜（TEM）观察堆垛层错（SFs）和β’相分布。

机械性能
峰值时效（32 h）后样品展现出惊人性能：抗拉强度496 MPa，屈服强度（TYS）465 MPa，延伸率（EL）6.0%。这一数据超越多数高稀土含量Mg-Gd-Y系合金（如图9对比），且突破了"高强度必低塑性"的传统认知。

微观机制
1）非动态再结晶晶粒占比达70%，形成强基面织构；
2）稀土原子富集的堆垛层错（SFs）与LPSO结构协同增强；
3）β’相垂直分布于基面，与SFs/LPSO层状结构构成三维位错阻碍网络。

讨论与结论
该研究首次证实：差温小挤压比工艺能同时抑制静态析出（预加热阶段）和动态析出（挤压阶段），为后续时效保留充足强化潜力。特别值得注意的是，垂直分布的SFs/LPSO与β’相形成"交叉锁"结构，其强化效率远超单一强化相。这种多尺度协同机制为设计大尺寸高强度镁合金提供了新范式，使工业化生产航空级镁合金构件成为可能。

研究团队Shaozhu Wang、Yu Zou等强调，该方法可推广至其他Mg-RE-Zn系合金，其工艺参数（如510°C/350°C温控组合）对平衡DRX与非DRX区域比例具有普适指导意义。这项工作不仅解决了工程应用中的尺寸-性能矛盾，更开创了通过"工艺-组织-性能"精准调控实现金属材料强韧化的新路径。