添加少量Ag和Nd的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的重结晶行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Recrystallization behavior of Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys with minor Ag and Nd additions

研究Mg-8Gd-5Y-1.5Zn-0.5Zr合金中Ag、Nd及Ag-Nd共添加对热压缩行为及再结晶的影响，发现Ag促进动态β析出和晶界偏析，Nd抑制晶粒生长，两者协同实现高再结晶分数和细晶结构，DFT计算验证协同机制，为热塑性成型工艺优化提供理论支撑。

　　镁合金因其轻质特性，被广泛应用于航空航天、汽车制造和3C电子等领域。在这些应用中，提高镁合金的强度和延展性是关键的技术挑战之一。近年来，研究人员通过引入稀土元素（如Gd、Y、Nd）和过渡金属元素（如Ag）来优化镁合金的性能，取得了显著进展。本文针对一种典型的高稀土镁合金——Mg-8Gd-5Y-1.5Zn-0.5Zr合金，研究了微量Ag（0.2 wt%）、Nd（0.2 wt%）以及Ag-Nd联合添加（各0.1 wt%）对合金热压缩行为和再结晶过程的影响，旨在揭示这些元素如何协同作用以提升合金的微观结构和力学性能。

热压缩行为是评估材料在高温下塑性变形能力的重要手段，而再结晶则与材料的微观结构演变密切相关。研究发现，添加Ag和Nd对合金的热压缩特性产生了显著影响。通过分析材料的流动应力曲线，研究人员计算出不同合金体系的激活能（Q），发现Ag和Nd的加入均提高了激活能，但其程度有所不同。具体而言，纯Mg合金的激活能为255,886 J·mol?1，而添加Ag后的合金激活能为262,649 J·mol?1，添加Nd后的合金激活能为265,031 J·mol?1。这些数据表明，Ag和Nd的加入在一定程度上增加了合金在热变形过程中的能量需求，可能与它们对晶格畸变的调控有关。

进一步的电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析揭示了Ag和Nd在合金中的不同作用机制。Ag主要促进了动态β相的析出，并通过粒子刺激成核（PSN）机制提高了再结晶的分数。然而，Ag的添加对晶粒细化的效果有限，表明其作用更偏向于增强动态软化能力。相比之下，Nd则表现出较强的晶界偏析倾向，抑制了晶粒的生长，但同时降低了再结晶的分数。这种效应可能是由于Nd在晶界处的偏析形成了稳定的界面，阻碍了晶粒的进一步长大，但也可能影响了再结晶的进程。

值得注意的是，当Ag和Nd联合添加时，合金表现出更为复杂的微观结构演变。此时，β相析出和Ag-Nd共偏析同时发生，导致再结晶分数显著提高，同时晶粒尺寸也达到最小。这一现象表明，Ag和Nd的协同作用能够有效平衡再结晶和晶粒细化之间的关系，从而在热变形过程中实现更优的力学性能。研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算进一步验证了这一结论，发现Nd能够稳定β相并促进其在晶界处的偏析，而Ag-Nd的结合则表现出优于其他Ag-RE对的结合能，解释了实验中观察到的协同效应。

在实际应用中，高稀土镁合金通常通过铸造工艺生产，尤其是高压铸造，这使得合金在形成过程中容易产生铸造缺陷，如缩松、气孔和成分偏析。这些缺陷不仅影响了合金的力学性能，还限制了其在高性能结构材料中的应用。因此，通过塑性变形工艺对合金进行后续加工，不仅能够改善其尺寸形状，还能提高微观结构的致密性和均匀性，从而增强其机械性能。然而，动态再结晶（DRX）的程度和最终晶粒尺寸对加工参数高度敏感，导致不同工艺条件下合金的性能差异较大。因此，为了实现对微观结构的可靠控制，必须深入理解合金在变形过程中的机械响应和结构演变机制。

在本研究中，研究人员采用了一种微量合金化策略（≤0.2 wt%），以兼顾成本效益和合金性能的提升。这种策略基于Ag和Nd在镁合金中可能发挥的协同效应，而不仅仅是各自单独作用的结果。通过对Ag和Nd添加后的合金进行系统的热压缩行为研究，研究人员发现，这两种元素的联合添加不仅能够提高再结晶分数，还能显著细化晶粒，从而在不牺牲延展性的情况下实现更高的强度。这一发现为高稀土镁合金的工业热塑性加工提供了重要的理论支持和技术指导。

此外，研究还强调了Ag和Nd在镁合金中的不同作用路径。Ag主要通过促进β相析出和PSN机制来增强动态软化，而Nd则通过晶界偏析来抑制晶粒生长。这两种机制的协同作用使得Ag-Nd联合添加的合金在热变形过程中表现出独特的微观结构演变特征。具体而言，Ag-Nd的结合不仅促进了β相的析出，还增强了Nd在晶界处的偏析效应，从而在晶界处形成了更多的成核位点，加快了再结晶过程。这种协同效应可能是由于Ag和Nd在晶格畸变方面的相互作用，使得它们能够共同降低系统的弹性应变能，进而减少自由能，促进再结晶的发生。

从实验结果来看，Ag-Nd联合添加的合金在热压缩过程中表现出最佳的再结晶行为和最细的晶粒尺寸。这表明，Ag和Nd的协同作用能够有效提升合金的力学性能，使其在高温下具备更高的强度和延展性。相比之下，单独添加Ag或Nd的合金虽然也表现出一定的性能提升，但效果不如联合添加显著。这一结论为高稀土镁合金的合金设计提供了新的思路，即通过引入具有互补作用的元素，可以实现更优的性能平衡。

在工业应用中，高稀土镁合金的热塑性加工面临着诸多挑战，包括高温下的材料稳定性、加工过程中的能量消耗以及最终产品的尺寸精度等。因此，理解合金在热变形过程中的行为对于优化加工工艺和提升产品质量至关重要。本文的研究结果表明，Ag-Nd的联合添加能够有效改善高稀土镁合金的热压缩性能，同时促进更均匀的再结晶和更细的晶粒形成。这不仅有助于提高合金的强度和韧性，还能够增强其在高温下的加工适应性。

综上所述，本文通过系统的实验研究和理论分析，揭示了Ag和Nd在高稀土镁合金中的协同作用机制。研究发现，Ag和Nd的联合添加能够显著提升合金的热变形能力，并通过促进β相析出和晶界偏析，实现更优的再结晶和晶粒细化效果。这一成果不仅为高稀土镁合金的合金设计提供了新的方向，也为工业热塑性加工工艺的优化提供了重要的理论依据和技术支持。未来的研究可以进一步探索Ag-Nd与其他元素的协同效应，以及不同加工参数对合金性能的影响，以期开发出更加高性能的镁合金材料。