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當(dāng)前，由于軌道交通、航空航天及新能源汽車等領(lǐng)域快速發(fā)展，對(duì)輕量化新材料技術(shù)提出強(qiáng)烈需求，以及來(lái)自于能源、經(jīng)濟(jì)、資源等方面壓力的戰(zhàn)略考慮，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家給予了鎂合金強(qiáng)烈的關(guān)注和巨大的投入，推動(dòng)鎂合金技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度僅為鋁的2/3、鋼的1/4，在高鐵、地鐵、汽車、3C電子、航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?；阪V中添加稀土元素的時(shí)效硬化效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外已開發(fā)了多種以Gd、Y等稀土為主合金化元素的高強(qiáng)鎂合金。

然而，高含量稀土元素添加帶來(lái)了以下幾個(gè)瓶頸問(wèn)題：

1)大量稀土元素的加入導(dǎo)致鎂合金的密度升高;

2)高稀土含量鎂合金的成型性能差、成材率低、加工成本高;

3)大量重稀土元素的添加必將急劇增加鎂合金的成本，因此限制了其更廣泛的應(yīng)用。

如何大幅度提高低成本(低/無(wú)稀土)鎂合金的絕對(duì)強(qiáng)度，是繼續(xù)拓寬鎂產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。最近幾年，東北大學(xué)材料學(xué)院秦高梧教授團(tuán)隊(duì)在鎂合金相平衡及熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了缺陷誘導(dǎo)Ca溶質(zhì)動(dòng)態(tài)偏聚的晶粒細(xì)化新機(jī)制，據(jù)此成功設(shè)計(jì)并制備出了力學(xué)性能優(yōu)異的系列Mg-Ca基合金。

2015年，Mg-Ca二元合金的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到330 MPa，較韓國(guó)Kim組報(bào)道的同成分Mg-Ca變形合金的強(qiáng)度值提高了~ 100 MPa，延伸率也可以達(dá)到~10% (J. Alloys Compd., 2015, 630:272-276)。

2017年，基于傳統(tǒng)的一步擠壓制備了Mg-Ca二元合金，基體的晶粒尺寸可以繼續(xù)細(xì)化至~ 0.7 mm，室溫抗拉強(qiáng)度因此達(dá)到了~ 400 MPa(Mater. Lett., 2019, 237:65-68)。

2018年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在常規(guī)擠壓的Mg-2Ca-2Sn非稀土合金中發(fā)現(xiàn)添加少量的Ca元素即可以誘導(dǎo)Ca在晶界/亞晶界處的偏聚和nano-Mg2Ca的動(dòng)態(tài)析出，通過(guò)充分發(fā)揮合金化元素以及擠壓工藝的細(xì)晶作用，最終獲得a-Mg基體細(xì)化至常規(guī)擠壓難以實(shí)現(xiàn)的亞微米尺寸(~ 0.32 um)，因此表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度~ 443 MPa)(圖1)。

特別地，該合金可以在~ 4 wt.%的溶質(zhì)含量下獲取超高強(qiáng)，即實(shí)現(xiàn)了“高強(qiáng)度低合金化的鎂合金”(Acta Materialia, 2018, 149: 350-363)。論文截圖如下。

金屬結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度與塑性的倒置關(guān)系，一直是結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域永恒的研究主題。鎂合金也不例外，傳統(tǒng)以大角度晶界、非共格析出相界 面抑制鎂合金位錯(cuò)滑移的合金設(shè)計(jì)策略，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化效應(yīng)的同時(shí)往往會(huì)伴生較大的脆性。而通過(guò)發(fā)展低錯(cuò)配度的低能界 面(如共格析出相界、小角晶界、孿晶界等)，有望突破鎂合金的強(qiáng)塑性倒置關(guān)系。據(jù)此，秦高梧教授團(tuán)隊(duì)最近提出了基于多組元溶質(zhì)元素動(dòng)態(tài)偏聚來(lái)構(gòu)筑高密度低能界 面鎂合金的設(shè)計(jì)新思路，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)塑匹配特性。擠壓態(tài)Mg-Ca-Al-Mn-Zn合金(溶質(zhì)總含量~2.4 wt.%)實(shí)現(xiàn)了屈服強(qiáng)度~ 425 MPa，抗拉強(qiáng)度~ 442 MPa，延伸率~ 11 %(Acta Materialia, 2020, 186: 278-290)。

該策略成功解決了鎂合金強(qiáng)度與塑性互斥的瓶頸難題，為新型高性能變形鎂合金材料的設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展路徑。

基于上述溶質(zhì)原子在晶體缺陷的動(dòng)態(tài)偏聚思想，團(tuán)隊(duì)后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)與相圖計(jì)算，設(shè)計(jì)并制備出綜合性能更加優(yōu)異的低成本、高強(qiáng)塑兼?zhèn)涞淖冃捂V合金材料，以滿足不同領(lǐng)域的工程實(shí)際需求。

相關(guān)成果發(fā)表系列論文的第一作者是團(tuán)隊(duì)的潘虎成副教授，同時(shí)澳大利亞Monash大學(xué)、美國(guó)Ohio州立大學(xué)、中科院金屬研究所、西工大凝固國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重慶大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所等國(guó)內(nèi)外多家研發(fā)機(jī)構(gòu)參與該項(xiàng)工作。相關(guān)研究依托東北大學(xué)輕合金“興遼英才計(jì)劃”重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，并得到了國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目、國(guó)家基金委-山西聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目以及科技部“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。