RE/Zn原子比对Mg-Zn-Gd-Y合金轧制过程中微观结构的影响：一种用于高强度和高导热性镁合金的新成分设计策略

《Journal of Magnesium and Alloys》：Effect of RE/Zn atomic ratio on the microstructure of Mg-Zn-Gd-Y alloys during rolling process: A new composition design strategy for high-strength and high-thermal-conductivity magnesium alloy

高强高导镁合金板材通过调整Mg-Zn-Gd-Y合金中稀土/锌原子比例（1/x=0.5,1.0,1.5），结合梯度厚度减量（50%-87.5%）多道次热轧工艺，系统研究了成分、变形参数及再结晶对微观结构和综合性能的影响。结果表明：降低RE/Zn比例可提升热导率（最高141 W/(m·K)），动态再结晶促进细晶强化，厚度减量与应变累积协同提高强度，但需平衡热导率损失。研究建立了成分-工艺-组织-性能的关联模型，为高强高导镁合金开发提供理论依据。

　　镁合金因其轻质和优异的物理性能，被认为是未来轻量化结构材料的重要选择。然而，其在强度与热导率之间的固有矛盾限制了其在高性能领域的应用。本文旨在通过调整稀土（RE）元素与锌（Zn）的原子比，开发出一种具有高强和高热导率的镁合金薄板，并系统研究了在热轧过程中不同因素对合金微结构和综合性能的影响。通过梯度热轧方法，研究了厚度减薄率以及轧制过程中加热对微结构演变和性能的影响，为镁合金的性能优化和实际应用提供了重要的理论依据。

### 镁合金的应用前景与挑战

镁是所有金属中密度最低的金属材料，广泛应用于汽车、军事、航空航天和3C等轻量化领域。随着大型集成组件的发展，对轻质、高强度且具有良好热传导性能的结构材料需求日益增加。纯镁虽然具有优异的热传导性能，但其强度较低，因此需要通过合金化来提升其力学性能。然而，合金元素的引入往往导致热导率的下降，尤其是在高含量的情况下，这种影响更为显著。因此，如何在合金设计中实现强度与热导率之间的平衡，成为当前研究的重点。

为了缓解这一矛盾，研究人员通常采用两种策略：一是选择具有高热导率且固溶度较低的合金元素；二是通过调控合金元素的含量和分布，形成有助于提升强度的第二相。锌（Zn）是镁合金中常用的合金元素之一，其在镁基体中的固溶度较低，且在同等浓度下对纯镁热导率的影响远小于其他元素。此外，Zn与稀土元素（如Gd和Y）具有相似的原子结构，这使得其在镁合金中能够形成稳定的第二相，如W相（Mg₃Zn₃RE₂）和LPSO相（Mg₁₂ZnRE）。其中，W相因其较高的热导率和良好的强度特性，被认为是一种理想的强化相。然而，随着稀土元素比例的增加，W相的含量会减少，而LPSO相的含量则增加，这可能会降低合金的热导率。

### 热轧过程中的关键因素

热轧是制备镁合金薄板的重要工艺，对合金的最终性能具有决定性影响。由于镁的六方紧密堆积（HCP）结构具有有限的滑移系统，因此镁合金的热轧必须在高温下进行，并通过多道次的轧制逐步减薄。在这一过程中，合金的温度和应力状态不断变化，从而导致微结构和性能的持续演变。影响最终性能的因素包括轧制温度、轧制速度、每道次的减薄率以及总减薄率。因此，理解这些变量在不同阶段的作用，对于优化热轧工艺和提升薄板的综合性能至关重要。

### 实验方法与合金设计

本文研究了三种不同稀土/锌原子比的Mg-xZn-0.5Gd-0.5Y（at.%）合金，具体为RE/Zn原子比为0.5、1.0和1.5，分别对应ZVW532、ZVW332和ZVW232。这些合金通过调整稀土元素与锌的原子比来实现不同的微结构特征。在热轧过程中，采用梯度减薄策略，每道次的减薄率逐步增加，以促进第二相的动态析出和晶粒细化。同时，每道次之间的加热处理对合金的微结构和性能演变起到了协调作用，尤其是在孪晶诱导静态再结晶（SRX）机制下，加热有助于消除变形过程中产生的缺陷，如位错和晶界，从而改善合金的性能。

为了确保实验的准确性，样品在轧制前进行了10分钟的预热处理，以确保温度均匀性。随后，每道次之间的加热时间为10分钟，以促进再结晶和晶粒的均匀分布。样品在每道次轧制后均进行水淬处理，以固定其在特定状态下的微结构。最终，对样品进行了拉伸测试、显微硬度测试以及热导率测量，以评估其综合性能。

### 微结构演变与性能变化

在热轧过程中，合金的微结构经历了显著的变化。通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察发现，随着总减薄率的增加，W相的含量逐渐增加，而LPSO相的含量则相应减少。在ZVW532样品中，随着减薄率的增加，W相逐渐形成并沿轧制方向分布。而ZVW332和ZVW232样品中，W相的分布则更为均匀，这表明较高的减薄率有助于W相的动态析出。

在热轧过程中，每道次之间的加热处理对W相的形态和分布有一定影响。对于ZVW532样品，加热并未显著改变W相的含量，但有助于其形态的调整，使其更接近球形。而在ZVW332和ZVW232样品中，加热促进了W相的溶解，导致小尺寸W相的减少，这可能与晶界能量的降低有关。此外，随着总减薄率的增加，W相的尺寸和数量均有所增加，表明减薄率是影响W相析出的关键因素。

在热轧过程中，合金的晶粒也经历了显著的演变。初始晶粒在减薄过程中被拉伸，并沿轧制方向排列，形成了典型的轧制织构。随着减薄率的增加，晶粒逐渐细化，并在加热过程中发生再结晶，转变为等轴晶。这一过程不仅有助于晶粒的均匀分布，还能有效降低晶界能量，从而提升合金的强度。然而，随着稀土元素比例的增加，晶粒的再结晶能力下降，这可能是由于稀土元素的加入增加了晶界处的应力，抑制了晶粒的进一步细化。

此外，热轧过程中产生的孪晶在协调变形和促进再结晶方面发挥了重要作用。通过分析样品的晶粒取向，发现孪晶的形成有助于降低晶粒间的应力，并促进再结晶过程。特别是在ZVW532样品中，压缩孪晶和双孪晶对再结晶的贡献最为显著，这表明孪晶在提升合金的强度和热导率方面具有潜在的优势。

### 机械性能与热导率的综合分析

通过拉伸测试和显微硬度测试，发现随着总减薄率的增加，合金的硬度和强度均有所提升。ZVW532样品由于具有较高的W相含量，表现出最佳的强度和热导率，其屈服强度达到286 MPa，抗拉强度为325 MPa，延伸率为10.4%。相比之下，ZVW332和ZVW232样品的强度和热导率较低，这可能是由于W相的减少和晶粒的细化导致的。

热导率的分析表明，合金的热导率主要受到第二相和固溶原子的影响。W相由于其较高的热导率，对合金的热导性能具有积极作用。然而，随着稀土元素比例的增加，W相的含量减少，导致热导率下降。因此，合金设计中需要在保持足够W相含量的同时，合理控制稀土元素的比例，以实现强度与热导率的平衡。

在热轧过程中，合金的热导率变化与第二相的动态析出密切相关。随着总减薄率的增加，小尺寸W相的析出促进了热导率的提升。然而，在每道次之间的加热过程中，部分W相发生溶解，导致热导率的降低。因此，合理的加热时间和温度对于维持合金的热导率至关重要。

### 热导率的机制分析

热导率是衡量材料导热能力的重要指标，其变化与材料内部的微观结构密切相关。在镁合金中，热导率主要依赖于电子的自由运动。纯镁由于其晶格结构的均匀性，电子可以自由地在晶格中运动，从而实现较高的热导率。然而，合金元素的引入会导致晶格畸变，从而阻碍电子的自由运动，降低热导率。此外，第二相的存在也会对热导率产生影响，因为它们的分布和形态会影响电子的散射路径。

通过分析不同合金的微结构，发现W相对热导率的提升具有积极作用。由于W相的分布较为均匀，且其与基体之间的界面较为清晰，因此能够有效减少电子散射路径，从而提升热导率。相比之下，LPSO相由于其较高的界面能，对热导率的影响较小。因此，在合金设计中，优先选择W相作为主要强化相，有助于提升合金的热导率。

### 结论与展望

本文的研究结果表明，通过调整稀土元素与锌的原子比，可以有效控制镁合金薄板的微结构和性能。随着RE/Zn原子比的降低，W相的含量增加，从而提升合金的热导率。同时，较大的减薄率有助于W相的动态析出和晶粒的细化，从而提升合金的强度。此外，每道次之间的加热处理在协调变形和促进再结晶方面起到了关键作用，有助于改善合金的综合性能。

在实际应用中，如何在保持良好热导率的同时，实现合金的高强度，是未来研究的重要方向。通过进一步优化合金成分和热轧工艺参数，有望开发出性能更优的镁合金薄板。此外，孪晶在协调变形和促进再结晶方面的潜力也值得深入研究，以探索其在提升合金性能中的作用。这些研究将为镁合金在高性能领域的应用提供坚实的理论基础和技术支持。