ATM实验室2018-2022年度代表性研究成果——变形镁合金的高强塑化设计与制备

镁合金的高强塑化一直是全球材料界难以攻克的瓶颈难题，申请人从镁合金的多系滑移行为、溶质偏聚行为调控这两条路径出发，聚焦镁合金动态再结晶行为调控，开发出了系列超高强塑、耐热性能优异的镁合金新材料，并发展出了大规格变形镁合金制备新原理与新技术，成功推动了镁合金在新能源汽车和新型武器装备上的规模化应用。作为第一/通讯作者在Nano Lett.（3篇）、Acta Mater.（2篇）、Mater. Res. Lett.（3篇）等期刊发表SCI论文70余篇，入选全球前2%顶尖科学家“学术影响力”榜单。兼任J. Magne. Alloys、Mater. Res. Lett.等国际期刊青年编委。主持了国家自然科学基金面上和重点项目子课题、国家重点研发项目子课题、企业攻关项目等20项。入选2019年度中国科协“青年托举”人才计划。

（1）揭示了镁合金有效晶粒细化两种新机制：固溶增塑诱导多系滑移；溶质偏聚抑制动态回复

提出变形镁合金有效晶粒细化的新策略之一：优选固溶元素诱导“多滑移系”大幅提升位错墙的热稳定性（缺陷的类型调控）。通过缺陷类型的调控，在镁合金中获得了热稳定性更优的<c+a>型位错墙，据此提出了基于“多滑移系”实现镁合金有效晶粒细化的新策略；基于这一原理，研发团队在常规挤压的Mg-2Ca-2Sn非稀土合金中发现添加少量的Ca元素即可以诱导Ca在晶界处的偏聚和nano-Mg2Ca的动态析出，通过充分发挥合金化元素以及挤压工艺的细晶作用，最终获得-Mg基体细化至常规挤压难以实现的亚微米尺寸（~ 0.32 m），因此表现出了优异的力学性能（屈服强度~ 443 MPa），被认定为非稀土变形镁合金领域的“最高强度”。特别的，该合金可以在~ 4 wt.%的溶质含量下获取超高强，即实现了“高强度低合金化的镁材料”。

提出变形镁合金有效晶粒细化的新策略之二：位错-晶界处溶质的共偏聚抑制回复实现超细晶的镁合金（缺陷处成分调控）。为进一步提升镁合金的超细晶形成能力，申请人基于计算机辅助的成分设计，实现了轻稀土（Ce、Nd、Sm）与非稀土（Al、Zn、Mn）等溶质原子在倾转晶界处的有序偏聚超结构，不同于经典的McLean理论认知；据此，提出了基于位错-晶界处同时偏聚协同细晶的镁合金制备新策略。并设计出了在晶界和位错处富Ce-Al偏析的低微合金化含量的挤压Mg-Ce-Al合金，晶粒尺寸被细化至意想不到的420 nm，并获得了365 MPa的高屈服强度。

（2）提出了变形镁合金的增塑新原理：双组态晶粒+低能界面构筑

尽管实现了高强度低合金化的镁材料，进一步提升高强度非稀土变形镁合金的延伸率对于其工程应用始终至关重要。传统以大角度晶界、非共格析出相界面抑制镁合金位错滑移的合金设计策略，在实现强化效应的同时往往会伴生较大的脆性。而通过发展低错配度的低能界面（譬如，共格析出相界、小角晶界、孪晶界等），有望解决镁合金的强塑性互斥。

据此，提出了高强镁合金的同时增塑、提升耐热性能的新原理：构筑“强织构+低能界面”的优化型晶粒组织。揭示了“低能界面”的小角度晶界可以介导可动位错连续运动与增殖的新机制，并因此在非稀土镁合金、高稀土镁合金两个体系中均实现了高强-塑性匹配；基于此机制获得的挤压态Mg-Ca-Al-Zn-Mn合金的屈服强度~ 425 MPa，抗拉强度~ 442 MPa，延伸率~ 11%，同时溶质原子总含量< 2.4 wt.%。发现了“低能界面”小角度晶界经长时间“热曝露”后仍保持结构完整的新现象，并因此实现了镁合金耐热性能的大幅提升。设计的Mg–Sm–Ce–Mn基合金在250℃的环境中保温96 h后其强度损失仅有12%，其元素在低能界面的共偏聚使得合金的微观结构展现出了优异的耐热性能。成功解决了镁合金强度与塑性互斥的强韧化瓶颈难题，为新型高品质变形镁合金材料的设计提供了新的发展路径。

（3）发展了大规格超高强变形镁合金制备的新技术，获得了大规格、520MPa级变形镁合金

随构件尺寸的大型化，金属材料力学性能普遍存在着衰减现象。当前开发的大尺寸Mg-RE系合金还存在着导热性差、易开裂、加工成本高、力学性能不稳定等瓶颈问题，国内外尚未掌握大尺寸、500 MPa级武器装备用变形镁合金的关键制备技术。

鉴于此，团队首次提出基于“高-低温分步挤压结合小挤压比”的新工艺，实现了优化型混晶组织，并结合高密度纳米沉淀获得了大规格超高强Mg-RE变形合金，强度高达520 MPa，直径为40-90 mm，克服了大规格镁合金强度低和易开裂等难题。目前，半连续铸造、热挤压、热处理等关键技术已逐个突破，完成了~ 500件次镁合金样品供应，现场的静态拉伸、动态冲击、打靶试验等结果良好，为保障国防安全提供了一种关键材料技术。

图1 （a-c）基于晶粒细化新机制设计的非稀土微合金化高强镁合金；（d-f）低能界面构筑获得高强塑性匹配镁合金