锌合金化协同优化Mg-Bi-Al合金强塑性的新策略及其机制研究

针对镁合金中强度-塑性难以协同提升的难题，大连理工大学团队通过Zn合金化策略开发了新型Mg-5Bi-3Al-3Zn合金。研究发现，Zn添加促进动态再结晶(DRX)和纳米Mg17(Al,Zn)12相析出，使挤压后合金获得380 MPa抗拉强度(UTS)与17.6%延伸率(EL)的优异匹配。该工作为开发低成本高性能非稀土镁合金提供了新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和交通运输领域具有巨大应用潜力。然而传统镁合金始终面临"强度提高则塑性下降"的魔咒，而添加稀土元素(RE)虽能提升性能却大幅增加成本。Mg-Bi-Al合金因其成本优势和优异挤压性能被视为新希望，但现有研究显示其力学性能仍不理想——例如Wang等开发的Mg-5Bi-1Al合金虽具18.9%延伸率，屈服强度(YS)仅241 MPa。更棘手的是，不当的合金化策略反而会恶化性能，如Ca添加导致Mg₂CaBi₂粗大相形成使强度降低10%。

大连理工大学团队独辟蹊径选择Zn作为合金化元素。Zn不仅成本低廉，前期研究显示其微添加(0-1 wt.%)即可优化Mg-Bi合金性能。但高含量Zn的影响机制仍是未解之谜。为此，研究人员系统研究了Zn含量(0-3 wt.%)对Mg-5Bi-3Al合金的影响，采用低温挤压工艺获得双峰晶粒结构。相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

研究主要运用四大技术方法：通过电阻炉熔炼制备四种不同Zn含量的铸态合金；采用300℃低温挤压工艺；结合EBSD和TEM分析微观结构演变；通过室温拉伸测试评估力学性能与应变硬化行为。

【Microstructural evolution】
随着Zn含量增加，挤压合金的动态再结晶(DRX)程度从72.3%提升至85.6%。EBSD分析显示小角度晶界(LAGBs)比例从46%降至16.6%，表明Zn促进连续动态再结晶(CDRX)。TEM证实Zn添加诱导纳米级Mg₁₇(Al,Zn)₁₂相析出，这些10-50 nm的沉淀相成为位错运动的有效障碍。

【Texture transformation】
无Zn合金呈现典型<10-10>纤维织构，而Zn添加使织构逐渐转变为非纤维织构。这种织构弱化有利于基面滑移启动，为塑性提升奠定基础。

【Mechanical properties】
Zn含量与力学性能呈正相关：BAZ533合金(3 wt.% Zn)展现最优性能组合——UTS达380 MPa，EL为17.6%，远超无Zn合金的298 MPa和12.1%。尤为重要的是，应变硬化率随Zn含量增加显著提升。

【Strengthening mechanisms】
强度提升源于两大机制：DRX晶粒细化使平均晶粒尺寸从3.2 μm降至1.8 μm；纳米Mg₁₇(Al,Zn)₁₂相产生沉淀强化。计算表明晶界强化贡献约157 MPa，沉淀强化贡献86 MPa。

【Ductility enhancement】
塑性改善归因于三方面：织构弱化促进基面滑移；Zn降低层错能(SFE)使非基面滑移更易激活；高密度位错储存能力提升应变硬化率。原位TEM观察到Zn添加合金中大量扩展位错和层错形成。

该研究突破性地证明：通过精确控制Zn含量可协同优化Mg-Bi-Al合金的强度-塑性。其科学价值在于阐明Zn通过促进CDRX、诱导纳米相析出和调控织构的三重作用机制。工程意义在于开发出UTS达380 MPa仍保持17.6%延伸率的低成本合金，为镁合金在轻量化领域的应用开辟新途径。特别值得注意的是，这种性能提升无需昂贵稀土元素或复杂热处理，仅通过成分设计和工艺优化实现，具有显著的工业化应用前景。