铝添加对Mg-1Zn-1Y-0.1Mn合金板材微观结构、织构演变及力学性能的影响机制研究

针对镁合金室温成形性差的问题，研究人员系统研究了Al添加对Mg-1Zn-1Y-0.1Mn合金板材的影响。发现Al含量≥0.5 wt.%时，织构由弱TD-split转变为强基面织构，第二相由Mg3Zn3Y2转变为Al2Y相，溶解Y元素锐减导致棱柱面〈a〉滑移活性降低，成形性恶化。该研究为高成形性Mg-Al-Zn-RE合金设计提供了关键理论依据。

　　

镁合金作为最轻的结构材料，在航空航天、汽车电子等领域具有重大应用前景，但其室温成形性差一直是制约其大规模应用的瓶颈。这主要源于镁的六方密排(HCP)结构在室温下可启动的滑移系有限，且传统Mg-Al-Zn系合金在热机械加工中易形成强基面织构，导致厚度方向应变协调能力不足。虽然稀土(RE)元素添加可弱化织构并激活非基面滑移，但在含Al的Mg-Zn-RE体系中，RE的织构弱化效果常被抑制，其内在机制尚不明确。

针对这一关键科学问题，中国的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表重要研究，通过系统设计Mg-xAl-1Zn-1Y-0.1Mn（x=0-1.0 wt.%）合金体系，揭示了Al添加对微观结构演变、织构特征及力学性能的影响规律。研究发现，微量Al（0.1 wt.%）即可促使第二相由Mg₃Zn₃Y₂完全转变为Al₂Y相，但仅当Al含量≥0.5 wt.%时才会引发织构由典型的TD-split（横向分裂）弱织构突变为强基面织构。这种转变与溶解态Y元素的急剧减少直接相关——当溶解Y从0.5 wt.%降至0.06 wt.%时，尽管棱柱面〈a〉滑移的Schmid因子升高，其实际活性却显著降低，最终导致室温成形性指数(IE值)从9.0 mm骤降至3.6 mm。

研究采用多尺度表征技术：通过光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)分析再结晶组织；X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)鉴定第二相组成；宏观织构分析结合原位拉伸-EBSD联用技术解析变形机制；通过Erichsen杯突试验定量评价室温成形性。

【3.1 微观结构与织构】
EBSD分析显示所有合金经400°C退火后均完全再结晶，平均晶粒尺寸9.69-14.34 μm。关键发现是：低Al合金（≤0.3 wt.%）呈现TD-split弱织构（基极最大强度4.1-5.1 MRD），而高Al合金（≥0.5 wt.%）发展为强基面织构（6.6-8.5 MRD），这与宏观织构测试结果一致。

【3.2 力学性能】
拉伸测试揭示Al添加的"双向效应"：沿轧向(RD)加载时，0.3Al合金表现最佳（YS 143 MPa，UTS 209 MPa）；但沿横向(TD)加载时，低Al合金展现超常延展性（均匀延伸率>26%），而高Al合金急剧劣化至12.7%。杯突试验证实IE值从0Al合金的9.0 mm降至1.0Al合金的3.6 mm，与商用AZ31合金相当。

【4. 讨论】
机制研究表明，Al与Y的超强亲和力（混合焓-38 kJ/mol）导致Al₂Y相优先形成，当溶解Y<0.23 wt.%时即丧失织构弱化能力。IGMA（晶内取向差轴）分析证实，尽管高Al合金棱柱面〈a〉滑移的Schmid因子更高，但其实际滑移活性反而更低，这归因于Y溶质对非基面滑移的促进作用消失。研究首次量化提出：在Mg-Al-Zn-Y体系中，Y添加量需至少为Al的2倍（重量比）才能保证足够的溶解Y浓度。

该研究不仅阐明了Mg-Al-Zn-RE合金织构弱化失效的根源，更建立了"合金设计-溶解RE控制-性能调控"的定量关系，为开发兼具高成形性和热稳定性的新型镁合金提供了关键理论指导。特别是提出的"Y/Al≥2"准则，解决了长期以来该体系难以兼顾成形性与力学性能的矛盾，对推动镁合金在精密成形部件中的应用具有重要实践意义。