钐(Sm)微合金化协同提升Mg-Y-Nd-Zr合金力学与腐蚀性能的机制研究

本研究针对镁合金强度-塑性难以兼得及耐蚀性不足的瓶颈问题，通过钐(Sm)微合金化策略优化Mg-4Y-2Nd-0.5Zr合金的微观组织。研究发现Sm添加促进动态再结晶(DRX)，形成亚晶层状结构和稀土(RE)织构，使EWS2合金获得328 MPa屈服强度与15.1%延伸率的优异组合；同时Sm细化第二相分布并诱导形成致密钝化膜，使腐蚀速率降至4.1 mm/y。该工作为开发高强度耐蚀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、生物医疗等领域展现出巨大应用潜力。然而其固有的强度-塑性倒置关系（即提高强度往往导致塑性下降）和较差的耐腐蚀性能，严重制约了工程应用。传统通过剧烈塑性变形改善性能的方法存在样品尺寸受限、成本高等问题。商用WE系列（Mg-Y-RE）合金虽具有优异比强度，但当前研究多集中于含钆(Gd)体系，对轻稀土元素如钐(Sm)的作用机制尚不明确。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究团队创新性地采用Sm微合金化策略，通过热挤压工艺开发出新型Mg-Y-Nd-Sm-Zr合金。研究发现2 wt.% Sm添加的EWS2合金展现出328 MPa屈服强度和15.1%延伸率的卓越组合，同时腐蚀速率降至4.1 mm/y，相关成果发表于《Journal of Magnesium and Alloys》。

研究采用多尺度表征技术：通过X射线衍射(XRD)分析相组成，扫描电镜(SEM)结合能谱(EDS)观察第二相分布，电子背散射衍射(EBSD)解析晶粒取向，透射电镜(TEM)揭示位错演变，并采用电化学测试和浸泡实验评估腐蚀行为。

【微观组织演变】
EBSD分析显示Sm使动态再结晶(DRX)比例从58%提升至74.5%，形成双峰结构。TEM观察到Sm促进Mg₄₁RE₅和Mg₅RE动态析出相，体积分数从3.2%增至14.2%。位错分析发现EWS2合金中非基底位错和螺位错密度显著增加，形成独特的亚晶层状结构。

【力学性能提升】
织构分析表明Sm使基底织构强度从18.04 mrd减弱至12.95 mrd，诱发稀土织构<¹²¹1>∥ED。Schmid因子统计显示EWS2基底滑移系平均因子提高，促进多滑移系协同激活。断裂分析发现大量堆垛层错和交叉滑移现象，证实Sm降低层错能并促进位错交滑移。

【腐蚀机制优化】
浸泡实验显示EWS2合金氢析出速率最低(9.1 mL/cm2)。SEM显示其腐蚀产物膜厚度仅2.1 μm且致密均匀，XPS证实膜中含Sm₂O₃等稀土氧化物。电化学测试测得极化电阻达785 Ω·cm2，较基础合金提升63%。

该研究首次系统阐明了Sm在WE系合金中的多重作用机制：通过促进DRX和动态析出优化组织，借助织构调控激活多滑移系，利用稀土氧化物致密化腐蚀膜。所开发的EWS2合金性能优于传统挤压Mg-Y-RE合金，为航空航天紧固件、可降解心血管支架等应用提供了新材料设计范式。特别值得注意的是，Sm作为丰度较高的轻稀土元素，其成本效益优势为产业化应用奠定了重要基础。