通过差热挤压和时效处理，实现具有双峰微观结构和蜂窝状组织的Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金的强度-延展性协同效应

《Journal of Alloys and Compounds》：Achieving strength-ductility synergy of Mg-Gd-Y-Nd-Zr alloy with bimodal and cellular structures via differential-thermal extrusion and aging treatment

1.采用差温挤压和时效处理制备Mg-Gd-Y-Nd-Zr双模结构合金，通过Zener钉扎效应实现细晶强化，结合位错胞内β'相偏析形成稳定细胞结构，协同提升强度（351MPa）与塑性（11.3%）

　　镁合金因其低密度、高比强度和高比刚度，在汽车和航空航天工业中展现出巨大的应用潜力。然而，其工程应用一直受到强度与延展性之间权衡的限制。传统镁合金在室温下表现出较差的塑性，这在很大程度上制约了其在结构材料领域的广泛应用。为了解决这一问题，近年来的研究重点逐渐转向通过合金设计和加工工艺的优化来实现强度与延展性的协同提升。其中，Mg-RE（稀土元素）合金因其独特的性能优势，成为研究的热点之一。特别是在Mg-Gd-Y-Zr体系中，VW93合金作为典型代表，因其优异的综合性能而受到广泛关注。

在Mg-RE合金的开发过程中，稀土元素的添加不仅能够改善合金的强度，还能显著提升其延展性。然而，高含量的稀土元素往往伴随着材料性能的不稳定性，尤其是在热处理过程中，容易引发过量的β相析出，从而影响材料的最终性能。为了克服这一问题，研究者们开始尝试通过控制加工条件来优化材料的微观结构，从而实现性能的提升。其中，差温挤压（Differential-Thermal Extrusion, DTE）作为一种创新的加工方法，因其能够有效减少β相的析出而受到重视。

差温挤压技术的核心在于通过在挤压过程中施加温度梯度，使得材料在不同区域的温度分布不均，从而影响其微观结构的演变。在传统的均匀加热挤压工艺中，由于材料整体处于较高的温度范围内，容易导致β相的大量析出，进而影响材料的强度和延展性。而差温挤压则通过在挤压筒和坯料之间建立适当的温度差，使得材料在挤压过程中能够形成更为复杂的微观结构，例如细小的动态再结晶（DRX）晶粒和未再结晶的长条状晶粒。这种结构的形成不仅有助于提升材料的强度，还能够保持一定的延展性，从而实现强度与延展性的协同增强。

在本研究中，通过差温挤压和时效处理相结合的方法，成功制备了一种具有双模态晶粒结构的Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金。该合金在挤压后的微观结构中，DRX晶粒的体积分数达到了43.9%，其平均晶粒尺寸为4.3 μm，这主要归因于Mg5RE相的钉扎效应。与此同时，未再结晶晶粒中形成了大量的位错胞结构，这是由于位错的交叉滑移和攀移作用所导致。在后续的时效处理过程中，β'相优先在位错胞壁上析出，形成了稳定的胞状β'结构。这种结构不仅能够有效提升材料的强度，还能通过其特殊的形貌和分布方式，对材料的延展性产生积极影响。

在峰值时效处理后，该合金表现出优异的强度-延展性协同效应，其屈服强度（YS）达到了351 MPa，延伸率（EL）为11.3%。这一结果表明，通过合理的加工和热处理工艺，可以在保持材料延展性的同时显著提升其强度。相比于传统均匀加热挤压工艺下的合金，本研究中采用的差温挤压技术能够有效减少β相的析出，从而避免了因过早析出而造成的时效强化效果减弱。此外，形成的胞状β'结构不仅能够增强材料的强度，还能够通过其独特的形貌和分布方式，改善材料的塑性变形能力，使其在承受较大应力时仍能保持一定的变形能力。

为了进一步探讨这种双模态晶粒结构和胞状β'结构对材料性能的具体影响，研究者们对材料的微观结构演变进行了系统的分析。在差温挤压过程中，坯料的温度梯度使得材料在不同区域的变形行为发生变化，从而形成了具有不同形貌和尺寸的晶粒结构。这种结构的形成不仅依赖于加工条件，还受到合金成分和热处理工艺的共同影响。通过优化这些参数，可以实现对材料微观结构的精确控制，进而提升其综合性能。

在时效处理阶段，材料的微观结构进一步演变，形成了稳定的胞状β'结构。这种结构的形成机制与位错胞的分布密切相关。在挤压过程中形成的位错胞为β'相的析出提供了理想的位点，使得β'相能够优先在这些区域生长，从而形成具有特定形貌和分布特征的胞状结构。这种结构不仅能够有效阻碍位错的运动，提升材料的强度，还能够通过其特殊的几何构型，改善材料的塑性变形能力。因此，双模态晶粒结构与胞状β'结构的协同作用，是实现强度-延展性协同提升的关键。

本研究的创新之处在于，通过差温挤压和时效处理的结合，成功制备了一种具有优异性能的Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金。这种合金不仅在强度上表现出色，其延展性也得到了有效提升，从而克服了传统镁合金在强度与延展性之间的矛盾。此外，研究还揭示了该合金在加工和热处理过程中微观结构演变的机制，为今后开发具有优异性能的镁合金提供了重要的理论依据和实践指导。

在实际应用中，这种双模态晶粒结构和胞状β'结构的协同作用可能对镁合金的工程应用产生深远影响。例如，在汽车轻量化设计中，材料需要在保证强度的同时具备良好的延展性，以便于加工和成型。而本研究中开发的合金正好满足这一需求，其优异的强度和延展性组合使得其在汽车和航空航天领域的应用前景广阔。此外，这种合金的制备方法也为其他类型的镁合金开发提供了新的思路，即通过优化加工和热处理条件，实现材料性能的提升。

本研究的成果不仅为镁合金的开发提供了新的方向，也为材料科学领域中的微观结构设计和性能调控提供了重要的参考。通过对材料微观结构的深入研究，研究者们能够更好地理解材料性能与结构之间的关系，从而为未来的材料设计和加工工艺提供理论支持。同时，该研究还强调了差温挤压技术在控制材料微观结构方面的优势，表明该技术在镁合金加工中的应用潜力。

总的来说，本研究通过差温挤压和时效处理相结合的方法，成功制备了一种具有优异性能的Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金。该合金在强度和延展性方面均表现出显著的提升，其性能的实现得益于双模态晶粒结构和胞状β'结构的协同作用。这种结构的形成机制为未来的材料设计和加工工艺提供了重要的理论依据，同时也为解决镁合金在工程应用中的强度-延展性矛盾提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨这种结构在不同加工条件下的演变规律，以及其在其他类型的镁合金中的应用潜力，从而推动镁合金在更广泛领域的应用和发展。