铈/镧诱导生成 Al2RE/Al2Ca 复合相及对 Mg-Al-Mn-Ca 合金力学性能和抗点燃性的增强

《Journal of Materials Science & Technology》：Ce/La-induced formation of Al 2RE/Al 2Ca composite phases and enhancement of mechanical properties and ignition resistance in Mg-Al-Mn-Ca alloy

　　

• •
  Ce/La联合添加诱导新型Al?RE/Al?Ca复合相的形成。
• •
  棒状Al?Ca析出相主导AMX402-0.4Ce-0.4La合金的强化效果。
• •
  Ce/La联合添加通过改变Ca的分布来提高合金的点火抗性。

引言

随着交通运输、电子和航空航天等领域对轻质结构材料需求的不断增加，镁合金因其低密度、高比强度和优异的阻尼能力而备受关注[[1], [2], [3]]。其中，Mg-Al-Mn-Ca（AMX）合金兼具优异的力学性能和点火抗性，是下一代轻质耐火镁合金的有力候选者[[4], [5], [6], [7]]。

先前的研究中，通过调控Al/Ca比例开发了一种具有优异力学性能的Mg-4Al-0.3Mn-1.8Ca（AMX402）合金[8]。Al?Ca相的形成通过有效阻碍位错运动在强化AMX合金方面发挥着重要作用。然而，热力学稳定的Al?Ca相中Ca的强结合可能降低了氧化过程中Ca的可利用率，从而限制了Ca参与保护性氧化膜的形成，阻碍了点火抗性的进一步提升。此前的研究[9,10]表明，热力学稳定含Ca相的过度形成不利于氧化保护，因为它降低了氧化过程中Ca的可利用率，并阻碍了均匀致密保护膜的形成。例如，Li等人[11]发现，Mg-4Al-2Ca(-2Zn)合金中热力学稳定(Mg, Al)?Ca相的形成限制了Ca的扩散并导致局部偏聚，最终造成氧化膜不均匀和点火抗性降低。Jiang等人[12]报道，在Mg-Zn-Ca合金中添加2wt.% Al促进了大量Al?Ca相的形成，导致氧化膜厚度降低和点火温度从1000°C降至885°C。因此，Al?Ca相在决定AMX合金性能方面表现出双重作用。优化Al?Ca的形成并调控Ca的分布，同时保留AMX402合金优异的力学性能，对于实现点火抗性进一步提升和应用潜力的挖掘至关重要。

轻稀土（RE）元素，如Ce和La，因其资源丰富、成本低廉和化学活性高，被广泛用于调控镁合金的微观组织和性能。添加Ce或La可促进形成更稳定、更致密的氧化膜，从而抑制氧向基体中的扩散，提高镁合金的抗氧化性和点火温度[[13], [14], [15]]。此外，Ce和La还可能通过细化晶粒组织、调控第二相演变和改善变形行为来提高镁合金的力学性能[[16], [17], [18]]。与单一元素添加相比，多元素联合添加在实现协同微观组织调控和性能优化方面更为有效[16,[19], [20], [21]]。因此，Ce/La联合添加可能为同时提高AMX402合金的力学性能和点火抗性提供有效策略。然而，Ce/La联合添加对AMX合金中第二相演变和点火抗性的影响仍不充分，相演变与点火行为之间的关联尚未得到系统建立。

本研究将0.4wt.% Ce和0.4wt.% La引入AMX402合金中，诱导新型Al?RE/Al?Ca复合相的形成，同时合金的力学性能和点火温度均得到提升。据此，本文通过结合电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）、热力学分析和第一性原理计算，系统研究了Ce/La联合添加对AMX402合金第二相演变、微观组织、力学性能和点火抗性的影响。同时讨论了Al?RE/Al?Ca复合相的形成机制以及合金的强化和氧化行为。本研究为高强耐火镁合金的设计提供了指导。

章节摘要

材料

AMX402和AMX402-0.4Ce-0.4La合金采用高纯Mg（99.9wt.%）、高纯Al（99.9wt.%）和Mg基中间合金（Mg-3Mn、Mg-30Ca、Mg-30La和Mg-20Ce，所有成分均为wt.%）制备。合金在电阻炉中于CO?/SF?保护气氛（99:1，vol.%）下熔化，并铸成直径为80 mm的圆柱形坯料。铸态锭材在420°C下均匀化处理12 h。挤压前，将均匀化坯料加热至350°C保温2 h，

第二相

图1(a和b)显示了挤压态AMX402和AMX402-0.4Ce-0.4La合金的SEM图像及对应的EDS面扫描图。两种合金中均有大量破碎状第二相颗粒沿挤压方向呈流线状分布，基体中伴随少量不规则块状相。在AMX402合金中，破碎状颗粒富集Al和Ca，而块状相富集Al和Mn。根据EDS点分析（表2），这些相为

Al?RE/Al?Ca复合相的形成机制

添加Ce/La后，AMX402合金中第二相的组成和形态发生显著变化，形成了Al?RE/Al?Ca复合相。此类结构在AMX合金中鲜有报道。此前的研究表明，界面诱导的非均质形核可以促进复合金属间化合物的形成[[24], [25], [26], [27]]。

图7(a)显示了AMX402-0.4Ce-0.4La合金中Al?RE/Al?Ca复合相的界面。基于EDS

结论

本研究考察了Ce/La联合添加对AMX402合金第二相演变、力学性能和点火抗性的影响。主要结论如下：

• (1)
  Ce/La联合添加诱导微米级Al?RE/Al?Ca复合相的形成。其形成受Al?RE优先沉淀、Al?RE与Al?Ca之间低晶格失配以及Ca原子在富Ce位点有利吸附的综合作用控制，三者共同

CRediT作者贡献声明

Xuerui Jing：撰写—初稿，方法论，调查研究，概念构思。Fanglei Wang：撰写—初稿，方法论，调查研究。Lianjuan Tian：软件，方法论。Guangjin Hou：撰写—审稿与编辑，可视化。Jia She：撰写—审稿与编辑，验证，指导，数据整理。Aitao Tang：指导，项目管理，经费获取，数据整理。Fusheng Pan：指导，项目管理，经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：u2167213和52225101）及湖南省自然科学基金（编号：2023JJ70048）的资助。

Xuerui Jing|Fanglei Wang|Lianjuan Tian|Guangjin Hou|Jia She|Aitao Tang|Fusheng Pan