铝添加对高速挤压Mg–5Bi合金微观结构、力学性能及时效硬化行为的影响机制研究

为解决高合金化镁合金在高速挤压过程中易出现热裂纹、力学性能不足等问题，韩国研究人员通过系统研究Al含量（0-6 wt%）对Mg–5Bi合金微观结构（Mg3Bi2相形成）、力学性能（屈服强度提升至205 MPa）及时效硬化行为（硬度增加13.3 Hv）的影响，证实Al添加可协同优化晶粒细化、溶质强化与析出强化效应，为开发高性能可挤压镁合金提供新思路。

　　

在追求轻量化的时代，镁合金因其密度仅为1.74 g/cm³成为航空航天、汽车工业的宠儿。然而，传统镁合金在高速挤压过程中面临严峻挑战：含Al或Zn的合金易因低熔点相（如Mg₁₇Al₁₂，437 °C）熔化引发热裂纹，而低合金化设计又难以兼顾强度需求。更棘手的是，高速挤压产生的变形热会加剧晶粒粗化，导致力学性能骤降。如何开发兼具高挤压速度、高热稳定性和优异力学性能的镁合金，成为学界与工业界亟待突破的瓶颈。

韩国研究人员将目光投向Mg–Bi体系——Bi元素能形成高熔点Mg₃Bi₂相（823 °C），理论上可耐受高温挤压。但Al含量对Mg–5Bi合金性能的影响机制尚不明确，时效硬化潜力也未被充分挖掘。为此，研究团队设计Mg–5Bi–xAl（x=0,2,4,6 wt%）合金，采用40 m/min的超高挤出速度，系统探究Al添加对微观结构演变、力学性能提升及时效行为的调控作用。

研究采用四大关键技术：1）CO₂/SF₆保护气氛下的熔铸工艺制备均质化铸锭；2）400 °C高温下的高速挤压（40 m/min）模拟工业条件；3）180 °C峰值时效处理诱导Mg₃Bi₂和Mg₁₇Al₁₂析出；4）结合EBSD（电子背散射衍射）与硬度测试分析微观结构-性能关联性。

微结构特征
Al添加显著细化晶粒：B5（0%Al）平均晶粒尺寸46 μm，而BA56（6%Al）降至25 μm。机理在于Al促进Mg₃Bi₂颗粒增殖，增强晶界钉扎效应。XRD证实BA56合金中同时存在Mg₃Bi₂和Mg₁₇Al₁₂相，但挤压过程中未出现热裂纹，归功于Mg₃Bi₂的高热稳定性（熔点823 °C）抑制局部熔化。

力学性能
Al含量与强度呈正相关：BA56合金展现最高屈服强度（205 MPa）和抗拉强度（292 MPa），较B5分别提升19%和37%。这种强化源自三重机制：晶粒细化（Hall-Petch效应）、Al溶质原子阻碍位错运动、高密度Mg₃Bi₂颗粒分散强化。尤为惊喜的是，BA54合金延伸率高达14.2%，打破高强镁合金通常伴随低塑性的桎梏。

时效硬化行为
时效处理后，BA56合金硬度增幅达13.3 Hv，远超其他合金（4.3-6.4 Hv）。TEM分析揭示其独特优势源于Mg₁₇Al₁₂与Mg₃Bi₂析出相的协同作用，而低Al合金仅依赖Mg₃Bi₂单一强化相。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究具有三重里程碑意义：首先，阐明Al含量通过调控Mg₃Bi₂相分布与DRX（动态再结晶）进程优化微观结构的机制；其次，首次报道Mg–Bi–Al合金在超高挤压速度（40 m/min）下仍保持无裂纹的稳定加工性；最后，揭示6%Al添加可同时激活析出强化与固溶强化，实现强度-塑性-时效硬化的协同提升。该成果为开发适用于汽车底盘、航天紧固件等场景的高性能镁合金开辟新路径，其“高合金化+高速挤压”的设计范式更对其它金属体系具有普适指导价值。