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鎂合金作為目前工程應(yīng)用領(lǐng)域最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，滿足航空航天、國(guó)防軍工、軌道交通等領(lǐng)域中長(zhǎng)期減重計(jì)劃要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而與鋼鐵、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，鎂合金存在一些明顯的性能不足問題，如絕對(duì)工程強(qiáng)度低，極大地限制了其在上述領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)高端裝備對(duì)輕質(zhì)鎂合金的高性能化、構(gòu)件大型化的要求越來(lái)越突出，發(fā)展工程應(yīng)用的大尺寸高強(qiáng)/超高強(qiáng)鎂合金材料已成重中之重。然而，傳統(tǒng)的加工制備工藝雖可以實(shí)現(xiàn)鎂合金材料大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但工業(yè)化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)鎂合金高性能化仍任重道遠(yuǎn)。

沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院李榮廣教授團(tuán)隊(duì)一直致力于鎂合金強(qiáng)韌化機(jī)理方面的研究，就如何進(jìn)一步突破大尺寸鎂合金的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)大尺寸鎂合金高性能化進(jìn)行了系統(tǒng)研究工作。近兩年來(lái)該研究團(tuán)隊(duì)提出了“充分利用強(qiáng)織構(gòu)與高密度納米沉淀相結(jié)合的強(qiáng)化方法制備大尺寸高性能Mg-Gd二元合金棒材”(Scripta Mater., 2021)、“利用納米亞結(jié)構(gòu)界面偏聚結(jié)合高密度納米團(tuán)簇強(qiáng)化機(jī)理制備高性能Mg-Gd二元合金板材”(Mater. Res. Lett., 2022)等學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，研究成果為制備超高強(qiáng)鎂合金材料提供了基礎(chǔ)理論指導(dǎo)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

針對(duì)大尺寸高性能鎂合金棒材的制備技術(shù)和強(qiáng)韌化機(jī)制研究，李榮廣教授團(tuán)隊(duì)與東北大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、西安交通大學(xué)等科研單位合作，采用低溫小擠壓比擠壓工藝結(jié)合時(shí)效工藝制備出大尺寸混晶組織Mg-13Gd二元鎂合金棒材，其屈服強(qiáng)度可達(dá)470MPa(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)混晶組織鎂合金的高強(qiáng)度主要依靠拉長(zhǎng)晶粒內(nèi)部的高密度納米級(jí)沉淀(圖2)與強(qiáng)織構(gòu)的共同作用，研究成果發(fā)表在《Scripta Materialia》上，織構(gòu)強(qiáng)化和析出強(qiáng)化助力Mg-Gd合金性能大幅度提升。

圖1 擠壓態(tài)和峰值時(shí)效態(tài)Mg-13Gd合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 峰值時(shí)效樣品的TEM圖：(a) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒和拉長(zhǎng)晶粒內(nèi)的沉淀析出微觀組織的HAADF圖;(b) 圖(a)中紅色箭頭指向處動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒內(nèi)微觀組織的高倍HAADF圖，內(nèi)插圖為矩形框區(qū)域的FFT，電子束沿[11-20]α-Mg晶帶軸入射;(c) 沿[0001]α-Mg方向觀察到的拉長(zhǎng)晶粒內(nèi)柱面沉淀的HAADF圖，以及相應(yīng)矩形框區(qū)域的FFT;(d) 沿[11-20]α-Mg方向觀察的拉長(zhǎng)晶粒內(nèi)柱面沉淀的HAADF圖，以及相應(yīng)矩形框區(qū)域的FFT

針對(duì)鎂合金板材的增強(qiáng)增塑機(jī)制，團(tuán)隊(duì)深入分析了超細(xì)晶鎂稀土合金的塑性變形特點(diǎn)，采用270℃單道次軋制60%后再時(shí)效的工藝對(duì)超細(xì)晶組織鎂稀土合金進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)該工藝制備的Mg-15Gd二元合金板材的屈服強(qiáng)度大于500MPa，塑性約5%(圖3)，該軋制態(tài)合金在時(shí)效后還表現(xiàn)出織構(gòu)增強(qiáng)的趨勢(shì)(圖3)。軋制工藝促使超細(xì)晶合金中細(xì)晶粒內(nèi)部形成高體積分?jǐn)?shù)的小角度界面和高密度的位錯(cuò)(圖4)，這些高密度位錯(cuò)在時(shí)效過(guò)程中能有效促使晶內(nèi)形成高密度的納米團(tuán)簇(圖5)。研究結(jié)果表明該鎂合金較高的屈服強(qiáng)度是由于高含量的亞結(jié)構(gòu)界面及界面Gd偏聚、高密度的納米團(tuán)簇、高密度的亞微米動(dòng)態(tài)沉淀以及較強(qiáng)織構(gòu)共同作用的結(jié)果。同時(shí)，時(shí)效過(guò)程中位錯(cuò)密度的降低、更多小角度界面和納米團(tuán)簇的形成也有利于基體彈性畸變的降低，進(jìn)而促進(jìn)了該合金塑性的提高，該成果于2022年發(fā)表在《Materials Research Letters》上。

圖3 軋制和時(shí)效Mg-15Gd合金的力學(xué)性能和宏觀織構(gòu)：(a) 工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b) 軋制態(tài)合金織構(gòu)，(c) 軋制+時(shí)效態(tài)合金織構(gòu)

圖4 軋制態(tài)合金的TEM圖像：(a) 包含高密度動(dòng)態(tài)沉淀和納米晶粒的微觀組織;(b) 圖(a)相應(yīng)的電子衍射花樣;(c) 高密度位錯(cuò)的微觀組織;(d) 進(jìn)一步放大的微觀組織的HAADF圖;(e) 圖(d)中紅色矩形框區(qū)域的高倍HAADF圖;(f) 圖(e)中小角度晶界相應(yīng)的電子衍射花樣

圖5 軋制+時(shí)效合金的TEM圖：(a) 高密度動(dòng)態(tài)沉淀的HAADF圖;(b) 更多位錯(cuò)界面的進(jìn)一步放大HAADF圖;(c) 動(dòng)態(tài)沉淀和基體的微觀組織;(d) 圖(c)中紅色圓圈區(qū)域基體的電子衍射花樣，電子束沿[0001]α-Mg晶帶軸入射;(e) 圖(c)中紅色圓圈區(qū)域微觀組織的HAADF圖;(f) 圖(e)中矩形框區(qū)域微觀組織的進(jìn)一步放大圖;(g) 包含多個(gè)納米團(tuán)簇的HRTEM圖以及相應(yīng)的FFT

上述文章第一作者均為李榮廣教授，沈陽(yáng)化工大學(xué)為第一單位。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52171121、51971151)、遼寧省“興遼英才計(jì)劃”青年拔尖人才項(xiàng)目(XLYC1907083)、遼寧省教育廳項(xiàng)目(LQ2019002)的支持。