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東北大學材料學院:低成本高強塑鎂合金研究取得重要進展

 當前,由于軌道交通、航空航天及新能源汽車等領域快速發展,對輕量化新材料技術提出強烈需求,以及來自于能源、經濟、資源等方面壓力的戰略考慮,世界各發達國家給予了鎂合金強烈的關注和巨大的投入,推動鎂合金技術發展已經到了一個關鍵時刻。鎂合金是最輕的金屬結構材料,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、國防軍工等領域具有廣闊的應用前景?;阪V中添加稀土元素的時效硬化效應,國內外已開發了多種以Gd、Y等稀土為主合金化元素的高強鎂合金。

 

然而,高含量稀土元素添加帶來了以下幾個瓶頸問題:

 

1)大量稀土元素的加入導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用。

 

如何大幅度提高低成本(低/無稀土)鎂合金的絕對強度,是繼續拓寬鎂產品實際應用的關鍵問題。最近幾年,東北大學材料學院秦高梧教授團隊在鎂合金相平衡及熱力學計算的基礎上,發現了缺陷誘導Ca溶質動態偏聚的晶粒細化新機制,據此成功設計并制備出了力學性能優異的系列Mg-Ca基合金。

 

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

 

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

 

2018年,研發團隊在常規擠壓的Mg-2Ca-2Sn非稀土合金中發現添加少量的Ca元素即可以誘導Ca在晶界/亞晶界處的偏聚和nano-Mg2Ca的動態析出,通過充分發揮合金化元素以及擠壓工藝的細晶作用,最終獲得a-Mg基體細化至常規擠壓難以實現的亞微米尺寸(~ 0.32 um),因此表現出了優異的力學性能(屈服強度~ 443 MPa)(圖1)。

 

圖1. 超高強含Ca變形鎂合金的微觀組織特征

 

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

 

 

 

金屬結構材料強度與塑性的倒置關系,一直是結構材料領域永恒的研究主題。鎂合金也不例外,傳統以大角度晶界、非共格析出相界面抑制鎂合金位錯滑移的合金設計策略,在實現強化效應的同時往往會伴生較大的脆性。而通過發展低錯配度的低能界面(如共格析出相界、小角晶界、孿晶界等),有望突破鎂合金的強塑性倒置關系。據此,秦高梧教授團隊最近提出了基于多組元溶質元素動態偏聚來構筑高密度低能界面鎂合金的設計新思路,實現了優異的強塑匹配特性。擠壓態Mg-Ca-Al-Mn-Zn合金(溶質總含量~2.4 wt.%)實現了屈服強度~ 425 MPa,抗拉強度~ 442 MPa,延伸率~ 11 %(Acta Materialia, 2020, 186: 278-290),如圖2所示。

 

圖2. 新型低成本高強塑性Mg-Ca-Al-Zn-Mn合金的組織與性能表征

 

該策略成功解決了鎂合金強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計提供了新的發展路徑。

 

 

 

基于上述溶質原子在晶體缺陷的動態偏聚思想,團隊后續將進一步結合第一性原理、分子動力學與相圖計算,設計并制備出綜合性能更加優異的低成本、高強塑兼備的變形鎂合金材料,以滿足不同領域的工程實際需求。

 

相關成果發表系列論文的第一作者是團隊的潘虎成副教授,同時澳大利亞Monash 大學、美國 Ohio 州立大學、中科院金屬研究所、西工大凝固國家重點實驗室、重慶大學、北京工業大學、中國科學院力學研究所等國內外多家研發機構參與該項工作。相關研究依托東北大學輕合金“興遼英才計劃”重點創新團隊,并得到了國家杰出青年基金項目、國家基金委-山西聯合重點項目以及科技部“十三五”國家重點研發計劃的資助。

 

來源:東大材料

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