通过协同合金化技术，调控溶质偏聚和次生相的形成，以提高贫镁合金在高温下的机械性能

《Materials Science and Engineering: A》：Tailoring solute segregation and secondary phases for enhancing high-temperature mechanical properties in a lean Mg alloy via synergistic alloying

　　

荣柴|郭思远|刘文佳|徐新宇|冉健|王静|李双|金申宝|王慧媛

河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130，中国

摘要

开发出具有高强度、高韧性和优异热稳定性的新型耐热镁合金，对于先进的热结构应用来说是一个关键挑战。本文通过稀土（RE）和钙（Ca）元素的协同合金化，制备出一种性能优异的轻质Mg-0.69Al-0.68Mn-0.67Ce-0.36Zn-0.18Ca（AMEZX11100） wrought镁合金。该合金在高温（200°C）下的屈服强度（YS）约为120 MPa，显著超过了具有相似或更高合金化水平的传统Mg–Al基 wrought合金，并且在室温下仍保持约213 MPa的YS。稀土和钙元素的协同合金化细化了基体晶粒，形成了热稳定的Al₁₀Mn₇Ce₂和Al₂Ca相，并导致钙、铝和锌溶质元素在晶界处共析。这种耦合的稳定机制有效抑制了晶界迁移，促进了变形过程中的位错积累，从而增强了应变硬化效果，改善了高温下的机械性能。我们的发现为耐热 wrought镁合金的设计提供了创新见解，并推动了其在高温下的商业化应用。

引言

Wrought镁（Mg）合金在航空航天、汽车等先进领域具有巨大的应用潜力，因为它们具有高比强度、可回收性、优异的电磁屏蔽性能和良好的减震性能[1]。其中，成本效益高的Mg-Al（AZ和AME）系列 wrought合金是室温下最广泛使用的轻质结构材料[2]、[3]、[4]。然而，Mg-Al系列 wrought合金在高温（120-300°C）下的实际应用较为罕见，这些应用需要承受35-100 MPa的工作应力，例如直升机进气罩、火车车身和航天器舱体[5]、[6]。一个主要挑战是，这些合金的强度来源于β-Mg₁₇Al₁₂相形成的亚微米级块状沉淀物，这些沉淀物热稳定性差，会迅速粗化，导致晶内和晶界位置的稳定性下降[7]。这种不稳定的相会导致机械性能急剧下降，从而阻碍其在更广泛高温场景中的应用[8]。

提高高温强度的主要方法是利用钙（Ca）元素促进形成的热稳定相来减弱高温变形过程中的晶内和晶界不稳定性，例如Al-Ca相，这可以有效增强镁合金的强度和/或耐热性[9]。Kondori等人[8]报告称，通过在AM60合金中引入不同含量的钙元素，Al₂Ca相可以替代不稳定的β-Mg₁₇Al₁₂相，显著限制了晶界迁移和位错攀移。Naghdi等人[10]进一步指出，钙的合金化促使Mg-4Zn-0.5Ca合金中形成了非均匀的粗Ca₂Mg₆Zn₃金属间相网络，从而提高了高温剪切强度。尽管钙合金化提高了镁合金的高温强度，但Yang等人[9]指出，仅通过钙合金化，镁-Al系列合金的耐热性仍然较差。因此，如何进一步提高其高温性能是一个亟待解决的问题。

为了进一步抑制高温塑性变形过程中的晶界不稳定性并促进位错储存，稀土（RE）元素的合金化提供了更有效的策略。增加RE浓度有利于在不同温度下同时提高强度，这归因于固溶强化和难熔Al-RE或Al-Mn-RE相的形成[11]。最近，Zhang等人[12]指出，添加0.8 wt.%的混合金属可以改善AZ91D合金的室温强度和蠕变抗力，这与Al₂Y相提供的晶粒细化和晶界迁移限制作用有关。此外，富含Al-Mn-RE相的晶界具有更高的稳定性，能有效阻碍位错恢复。Yang等人[13]发现，含有粗晶界沉淀物（AlMnSm相）的Mg-4Al-3Sm-0.4Mn合金在高温下表现出令人满意的材料性能，这归因于晶界处位错湮灭主导的再结晶软化延迟。添加铈（Ce）具有显著的经济优势。铈和镁原子之间的显著尺寸不匹配会引起明显的晶格畸变，从而产生更显著的固溶强化效果。因此，选择铈与钙作为合金元素，并探索提高成本效益高的Mg-Al系列 wrought合金高温性能的机制是必要的。

为了减少对关键资源的依赖以及避免过度合金化导致的材料加工窗口缩小，本研究采用了多组分、低合金化成分的设计策略（总合金元素含量≤4 wt.%）。通过两道轧制结合退火工艺，制备出了微观结构得到细化的稀薄Mg-0.69Al-0.68Mn-0.67Ce-0.36Zn-0.18Ca（AMEZX11100） wrought合金。分散分布的Al₂Ca和Al₁₀Mn₇Ce₂相具有固有的热稳定性，可以有效提高高温强度，因为它们限制了晶内和晶界变形。此外，钙、铝和锌溶质的共析进一步增强了晶界的热稳定性，也有利于限制高温变形。令人惊讶的是，退火后的AMEZX11100合金片材在150°C和200°C下的屈服强度（YS）分别约为142 MPa和120 MPa，优于成本效益高的Mg-Al系列 wrought合金。本文详细研究了协同合金化对高温性能的影响机制，特别是稀土和钙元素的作用。本研究的目标是解决镁合金固有的热软化问题，生产出具有优异高温强度的 wrought合金。

章节摘录

材料制备

本研究中使用的AMEZX11100合金由河南明美镁业有限公司提供，为直径50毫米的挤压棒材。这些棒材随后被切割成厚度为6毫米的矩形板材，并沿挤压方向进行轧制。板材在425°C下均匀化处理1小时。随后，在保护性气氛中于500°C下保持4小时。然后，均匀化的样品进行了两道控制

AMEZX11100合金的拉伸性能

图2a显示了不同温度下AMEZX11100合金的工程应力-应变曲线，相应的机械性能总结在表1中。通过轧制和退火处理，AMEZX11100合金的屈服强度（YS）和极限抗拉强度（UTS）分别约为213 MPa和261 MPa，同时保持了约24%的断裂伸长率（EF）。尽管AMEZX11100合金的溶质元素含量较低，但其室温下的机械性能

铈和钙协同合金化在调节微观结构中的作用

根据上述实验结果，铈和钙溶质元素的协同添加促进了在镁基体中形成大量高熔点的次级相颗粒，即Al₁₀Mn₇Ce₂和Al₂Ca。值得注意的是，相对较粗的次级相颗粒（200-1000 nm）倾向于沿晶界分布，而亚微米级和纳米级沉淀物（20-200 nm）则均匀分散

结论

本研究设计了一种AMEZX11100稀薄镁合金，并系统研究了铈和钙的协同合金化对微观结构演变、室温及高温机械性能的影响。通过SEM、TEM和EBSD等表征方法，深入探讨了AMEZX11100合金在不同温度下性能提升的原因。本研究的主要结论总结如下

原创性声明

我代表所有合作者声明，提交的论文代表了原创性研究成果。该论文未曾以任何形式或媒介（包括全文、摘要、图表或表格）在公共或私人领域发表过。所有实验数据和表征结果都是真实准确的。该论文尚未在其他地方考虑发表，也不会提交给其他机构，且不涉及重复内容

CRediT作者贡献声明

郭思远：撰写 – 审稿与编辑。荣柴：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、实验研究、数据整理。李双：形式分析。王慧媛：方法论、实验研究。金申宝：方法论、实验研究。徐新宇：监督、方法论、实验研究。刘文佳：方法论、实验研究。王静：形式分析。冉健：实验研究

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2024YFB3408900）、国家自然科学基金（编号：52304395）和河北省自然科学基金（编号：E2025202139）、国家自然科学基金（编号：52471129）以及河北省高层次人才引进计划（编号：2024HBQZYCXY004）的财政支持。