鎂科研：雙相粒子協同調控混晶結構Mg-9Al-Zn合金組織同步提升強

最近，吉林大學王慧遠教授和查敏教授課題組透過改變稀土元素Y新增量調控合金中粗大Al2Y與亞微米Mg17Al12相的體積分數；基於粗大Al2Y與亞微米Mg17Al12雙顆粒協同調控HPR過程中的動態再結晶（DRX），實現了混晶結構Mg-9Al-1Zn（AZ91）細晶比例最佳化與織構弱化協同控制。隨Y含量從0增加至1 wt %，混晶結構中細晶(∼2.5 μm)體積分數從~30 vol.% 增至 52 vol.%，且織構逐漸弱化，結果如圖1所示。具有最優細晶比例的AZ91-1Y（wt %）合金強度和塑性同時提升，抗拉強度為~405 MPa、延伸率為~9.4%，其強塑性結合明顯高於與文獻報道AZ91合金，結果如圖2所示。

圖 1 HPRed AZ91-x Y 合金的IPF圖及織構演化分析

圖 2 HPRed AZ91-xY合金力學效能及其與文獻報道AZ91合金比較

本文揭示了Al2Y相在混晶結構中透過促進DRX驅動力提升細晶比例的機制，結果如圖3所示。在變形過程中，應變率先在Al2Y相附近積累，為DRX晶粒形核提供驅動力，使DRX晶粒優先在第二相周圍形核，即PSN機制。從圖3的區域i中可見，在HPR變形後，Al2Y相周圍形成了大量細小的DRX晶粒，晶界取向差角度在~20°-50°之間，為典型的HAGBs，其晶界取向差角度明顯高於遠離Al2Y相區域的晶粒。區域ii為粗晶中PSN機制發展完成並且DRX晶粒穩定後的結果。這直接解釋了新增Y元素後混晶組織中細晶區域比例明顯提升的原因，即粗大Al2Y相透過PSN機制誘導DRX晶粒形核。

圖3 Al2Y相誘發PSN現象的EBSD和SEM分析

值得注意的是，Al2Y促進DRX的同時會導致細晶區域晶粒尺寸增加，使混晶結構中晶界強化作用減弱，不利於效能的提高。因此，提高混晶結構中細晶比例的同時保持細小晶粒尺寸也至關重要。為了維持細小穩定的再結晶晶粒尺寸，本工作利用彌散分佈的亞微米級Mg17Al12相抑制DRX晶粒長大，相關結果如圖4所示。可以觀察到在HPR變形後形成的細小DRX（~400 nm）晶粒的晶界上分佈著大量的近球形、其尺寸為200-500 nm的亞微米級Mg17Al12相。由此可見，Al2Y相可以使其附近積累較高的應變能，為DRX晶粒的形核和長大提供驅動力，而彌散分佈的細小Mg17Al12粒子可有效釘扎晶界，抑制DRX晶粒長大。因而，協同利用Al2Y相對DRX的促進作用和Mg17Al12相對DRX晶粒的阻礙作用可以在維持細小晶粒尺寸的前提下實現混晶組織中粗晶、細晶比例的調控。

圖4 襯板控軋AZ91-1Y合金細晶區域的顯微組織特徵

為了深入分析第二相對DRX行為的影響以及細晶比例增加對混晶組織力學效能的影響，本文定量計算了第二相引起的DRX驅動力和Zener釘扎阻力以及混晶結構鎂合金強化機制，其中PD和PZ的差值對調控細晶體積分數具有重要作用，例如，在AZ91-1Y合金中，PD為~11.2 × 105 Nm-2，遠大於其對應的Pz（~3.1× 105 Nm-2）的數值，因此在AZ91-1Y合金中，可以形成大量的DRX晶粒並維持穩定的晶粒尺寸，最終實現混晶結構中細晶比例大幅度提高至~52 vol.%。同時，細晶的晶界強化貢獻佔到了屈服強度的70%以上，是混晶結構鎂合金強度提升的主導因素。由此可見，在維持穩定細晶尺寸的前提下，透過最佳化細晶比例是提高混晶結構鎂合金強度的有效方法。

本文以襯板控軋技術製備混晶結構鎂合金為基礎，研究Y含量對微米級Al2Y相和亞微米級Mg17Al12相尺寸和體積分數的影響，在此基礎上分析了粗大Al2Y相提供的DRX驅動力與亞微米級Mg17Al12相的Zener釘扎阻力對DRX形核、晶粒長大以及織構演化的影響規律，實現了混晶組織中細晶比例調控；基於粗晶、細晶區域對應的強、弱織構特性分析其強塑性同步提升機制。本研究為調控混晶結構鎂合金組織實現強塑性協同提供依據。