Ca/Al比对挤压铸造Mg-Al-Ca合金微观结构演变与力学性能的调控机制研究

针对Mg-Al-Ca合金中第二相调控难题，研究人员通过挤压铸造技术系统探究了Ca/Al比对Laves相（C14-Mg2Ca/C15-Al2Ca/C36-(Mg,Al)2Ca）形态演变及力学性能的影响。发现高压凝固促使纳米级Mg17Al12析出，揭示了Ca/Al比=0.3时抗拉强度最优、1.2时屈服强度突出的机制，为高性能镁合金构件开发提供理论支撑。

　　

镁合金因其轻量化优势在航空航天和汽车工业中备受关注，但易燃性和高温强度不足长期制约其应用。通过添加钙（Ca）可提升阻燃性并形成热稳定性优异的Laves相（金属间化合物），但Ca与铝（Al）的比例（Ca/Al比）对微观结构的影响机制尚不明确，且传统高压压铸（HPDC）易产生气孔缺陷。山西大学团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，采用挤压铸造技术（750°C浇注温度/125 MPa压力）制备四种Ca/Al比（0.3-1.2）的Mg-Al-Ca合金，结合相场模拟（Phase-field modeling）揭示了高压下非平衡态微观结构的演变规律。

关键技术包括：挤压铸造工艺调控、扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）表征、相场动力学模拟、室温/高温力学性能测试。研究通过对比铸态与T4/T6热处理样品，系统分析了第二相形态与力学性能的关联性。

【Microstructure of cast state】
光学显微观察显示，随Ca/Al比升高，第二相从岛状Mg₁₇Al₁₂转变为层状Al₂Ca+(Mg,Al)₂Ca网络，最终形成颗粒状Mg₂Ca。挤压铸造的压力效应使第二相体积分数增加21%-38%，且显著细化晶粒尺寸。

【Effect of Ca/Al ratio on microstructural evolution】
相场模拟表明，高压凝固通过促进形核抑制晶粒生长，导致层状向颗粒状转变。意外发现高Ca/Al合金中纳米级Mg₁₇Al₁₂析出，突破传统认知中Ca抑制β-Mg₁₇Al₁₂形成的理论。

【Mechanical properties】
Ca/Al比=0.3时抗拉强度（UTS）达峰值（285 MPa），归因于细晶强化与层状Laves相协同作用；Ca/Al比=1.2时屈服强度（YS）最高（198 MPa），源于Mg₂Ca颗粒的弥散强化。热处理后T6态合金强度普遍提升10%-15%，但塑性下降。

结论表明，Ca/Al比通过调控Laves相类型（C14/C15/C36）与分布形态直接影响力学性能。挤压铸造特有的高压环境打破了平衡相图约束，为纳米析出提供动力学条件。该研究不仅阐明Mg-Al-Ca体系微观演化机制，更为开发兼具高强韧性的镁合金构件奠定工艺基础，对推动轻量化材料应用具有重要工程价值。