導讀
鎂合金具有比強度、比剛度高，鑄造效能好等特點，是最輕的金屬結構材料，具有很好的應用前景。近十年來，長週期堆垛有序（LPSO）結構的鎂合金在Mg-Y-Zn三元體系中表現出獨特的微觀結構和優異的力學效能，受到越來越多的關注。Mg-Y-Zn合金中LPSO相的晶體結構以週期性層錯為特徵，並伴隨著Zn和Y原子在特定原子面上的富集。LPSO相由於其尺寸大，可以透過短纖維強化機制來提高合金的強度。研究表明，向含LPSO相的Mg基合金中新增不同合金元素，能夠顯著改善合金組織和力學效能。綜述了不同合金化元素對含LPSO相Mg-Y-Zn合金組織和效能的影響，進一步梳理該領域研究現狀，為相關領域研究者提供參考。
關鍵詞：LPSO相；合金化元素；Mg-Y-Zn合金；組織；力學效能
鎂基合金具有密度低、加工效能好、比強度高等特點，在交通運輸、航空航天、汽車、醫療器械等領域具有廣闊的應用前景。近年來，三元Mg-RE-X合金（其中RE代表稀土元素，如Y、Gd、Er、Dy、Tm和Tb；X代表過渡元素，如Zn、Cu、Ni或Co）因其獨特的微觀結構和優異的室溫和高溫綜合力學效能而備受關注。典型的特點是，這些合金含有α-Mg晶粒和金屬間相，呈現長週期堆垛有序（LPSO）結構。透過高分辨透射電鏡（HRTEM）的精確表徵，證實了堆積順序的LPSO相為10H、14H、18R和24R。在這些結構中，18R和14H的LPSO相一直是人們關注的焦點。LPSO相對鎂合金的強化起著重要作用。因此，LPSO結構的改善和改性對合金的效能至關重要。根據研究，Mg–RE–Zn合金中的LPSO相具有層狀有序結構。通常，較低的層錯能（SFE）有利於LPSO相的形成。合金化是控制鎂合金層錯和組成相的有效方法。諸多研究表明，不同元素新增對含LPSO相的Mg-Y-Zn合金有積極作用。因此，為了進一步研究不同元素新增對Mg-Y-Zn合金組織和效能的影響，綜述了不同元素新增對Mg-Y-Zn合金組織和效能的影響機理和影響引數，為相關領域研究者提供一定參考和借鑑。同時，透過分析不同元素新增對Mg-Y-Zn合金組織及效能的影響，探索多種合金元素耦合作用下對合金效能影響的可能性。
1 含LPSO相的Mg基合金研究現狀
根據Y/Zn原子比，可以形成3種主要的三元平衡相Mg-Zn-Y，分別是W相（Mg3Zn3Y2，立方結構）、I相（Mg3Zn6Y，二十面體準晶結構）和X相（Mg12YZn，長週期堆垛有序結構）。近年來，一系列Y/Zn原子比為2:1的Mg-Y-Zn合金由於具有大的長週期堆垛有序（LPSO）結構而備受關注。一般來說，當Y含量高於Zn含量時，X相更容易形成。由於稀土Y元素價格高，因此，限制含Y稀土Mg合金商業應用的一個主要問題是合金成本高。
20世紀九十年代，LUO 等在研究 Mg-Y-Zn 合金過程中首次發現並提出了 18R 長週期結構相（LPSO）。隨後，KAWAMURA等用快速凝固技術製備了具有長週期結構相的非平衡凝固Mg97Zn1Y2合金，該合金的屈服強度高達600 MPa，其強化的原因是在基體中析出了一種沿著密排六方結構(hcp)結構的 c 軸方向呈長程有序，能抑制變形孿晶生長的LPSO。ITOI 等對合金進行奈米壓痕測試發現，LPSO 相的硬度值(HV=870 MPa)大於α-Mg 的硬度值(570 MPa)，證明 LPSO 相是一種有效的強化相。MICHIAKI YAMASAKI 等對 Mg96.5Gd2.5Zn1合金進行普通鑄造和擠壓加工，獲得了屈服強度為 345 MPa，伸長率為 6.9%的優異的力學效能。
近年來，KAWAMURA等根據鑄態組織是否含長週期相把 Mg-RE-Zn 系合金分為兩種型別，第一型別合金中的長週期堆垛結構在凝固階段已經形成，符合這種情況的稀土元素包括Dy,Er,Tm,Y及Ho；第二種型別合金中在鑄態下不存在LPSO結構，只有固溶處理後才從過飽和固溶體中沉澱析出14H的長週期結構相，符合這種情況的稀土元素有Tb和 Gd。WU等在常規凝固的鑄態Mg-Gd-Zn合金內部發現了層片狀14H-LPSO結構。DU等在鑄態Mg-Gd-Zn合金中發現了14H-LPSO和18R-LPSO相共存現象，從而對這一分類進行了修正和補充。
但是，無論哪種合金系，一些因素如冷卻速率快慢、合金元素種類、熱處理工藝以及擠壓等工藝條件對長週期結構相的產生都有很大的影響。隨著對長週期結構相的深入研究，現在普遍認為，在鎂合金中共有 5種不同的 LPSO 結構。表1為鎂合金中 5 種類型 LPSO 結構的原子堆垛序列。其中A，B，C 分別代表 Mg，Zn，Y 原子。數字表示堆垛層數，字母 H 表示六方晶系，R為斜方晶系。
2 不同元素新增對含LPSO相Mg-Y-Zn合金組織效能的影響
2.1 Sn元素新增對含LPSO相Mg-Y-Zn合金的影響
長週期堆垛有序相是Mg-Y-Zn基合金中重要的強化析出相。完全受化學有序性和層錯的控制，合金元素可以對LPSO相進行強烈的改性。新增Sn元素能改變LPSO相的形貌和體積分數，導致Mg-Y-Zn基合金的力學效能產生變化。Sn的加入顯著影響鑄態下合金中LPSO結構的長度和密度。退火後18R的含量隨著針狀到塊狀形貌的變化而增加。此外，在晶粒內和18R相之間都有細小的14H-LPSO片晶析出。與退火態無Sn合金相比，含Sn鎂合金中18R相的面積分數由35%提高到58%，14H也有一定程度的提高。擠壓態合金的拉伸試驗表明，含Sn合金的力學效能比三元合金顯著提高。透過掃描電鏡（SEM）和透射電鏡(TEM)分析，發現隨著Sn含量增加，LPSO相的數量和尺寸不斷減小。此外，隨著Sn含量的增加，Sn3Y5、MgZnY、MgSnY和MgZn顆粒被析出，見圖1。
圖1 不同Sn加入對組織的影響
研究表明，LPSO相對擠壓過程中α-Mg晶粒的動態再結晶(DRX)細化有明顯的促進作用，而取向良好的LPSO相有效地強化了擠壓合金，與短纖維強化機制基本符合。隨著LPSO相尺寸和數量的減小，位錯運動速度增大，強度降低，塑性提高。但是，Sn含量為1.0 %(摩爾分數)時， MgZnY顆粒的尺寸和數量明顯增加，LPSO相的尺寸和數量明顯減少，導致合金的強度略有下降。Sn含量為2.0 %(摩爾分數)時，由於缺少LPSO相的強化作用，合金的抗拉強度、屈服強度、伸長率和顯微硬度均顯著降低。
2.2 Mn元素新增對含LPSO相Mg-Y-Zn合金的影響
此前研究已表明，新增Mn後，合金晶粒更細，第二相更加緻密，腐蝕產物形成膜更穩定，能夠顯著提高Mg合金的抗腐蝕效能。但是Mn元素對含LPSO相的Mg-Zn-RE合金影響的相關報道較少。新增Mn元素後，尤其是加入1.5 % Mn後，LPSO相的體積分數提高到17%左右，提高了合金的強度。固溶處理後W相減少5%，降低了變形過程中產生裂紋的機率，合金的晶粒尺寸明顯減小，產生了細晶強化的效果。
2.3 Ca元素新增對含LPSO相Mg-Y-Zn合金的影響
研究表明，在鎂合金中新增Ca有利於組織細化，能顯著提高合金的強度和塑性。新增Ca元素能顯著改善Mg-Y-Zn合金組織，誘導LPSO相生成，促進W相奈米顆粒的動態析出，抑制擠壓過程中的DRX晶粒長大。含Ca擠壓合金優異的力學效能歸因於W相奈米顆粒，大量LPSO相和晶粒細化的協同強化效果。
2.4 Ti、Zr元素新增對含LPSO相Mg-Y-Zn合金的影響
Ti、Zr元素是稀土鎂合金中常見的細化劑，會改變晶界Y和Zn的濃度，對促進LPSO相的形成具有重要作用。新增Ti、Zr元素都會促進LPSO相的形成，兩種元素複合新增到Mg-Y-Zn合金後改變了LPSO相與W相的介面結合狀態，微觀上不利於合金的效能。但是經過固溶處理和擠壓後的含Ti、Zr合金的18R-LPSO相較多，與α-Mg相之間的相介面為共格介面，相介面穩定且不易破壞。同時LPSO相沿擠壓方向分佈，使α-Mg相和LPSO相的介面面積增大，從而增強了合金的強度。
圖2 不同Ti元素新增對Mg-Zn-Y-Mn合金力學效能的影響
2.5 B元素新增對含LPSO相Mg-Y-Zn合金的影響
諸多研究表明，在金屬材料中新增B元素有益於改善合金的力學效能。作用機理為：①在晶界優先奈米級偏析；②相改性（包括基體中的沉澱調節）。在Mg合金中謹慎地新增B元素，會產生類似摻雜相關的有益效果。然而，到目前為止，對含硼鎂合金的強化研究還很少。特別是B對LPSO相形成的影響的資料很少報道。研究發現，微量硼的新增在合金擠壓條件下，可以透過促進14H-LPSO相的析出，延緩動態再結晶過程，在Mg-Y-Zn合金中存在W相的情況下，硼的新增還會細化W相併降低其體積分數，進一步提升Mg-Y-Zn合金的力學效能。
2.6 Cd元素新增對含LPSO相Mg-Y-Zn合金的影響
研究發現，Cd元素的加入可以透過形成外來的形核劑來細化晶粒，從而在高溫下阻止晶界滑移從而提高強度，同時在鎂合金中加入Cd後，層錯能降低，有利於LPSO相的形成。隨著Cd新增量的增加，LPSO相體積呈現先增大後減小的趨勢，而W相體積呈現相反的趨勢。Cd元素的加入還使晶粒的成分過冷區變寬，為晶粒的成核提供了足夠的過冷度，使晶粒細化。因此，新增微量Cd對Mg-Y-Zn合金組織和力學效能有明顯的改善作用，力學效能隨Cd新增量的增加呈先增大後減小的趨勢。與無Cd元素合金相比，含0.35 % Cd的Mg-Y-Zn合金的抗拉強度和伸長分別提高了約36%和146%。
3 結語
Mg-RE-Zn合金作為一種重要的金屬材料，因其良好的阻尼效能和優異的力學效能而備受關注。該合金具有不同型別的強化相，如Mg30Zn60RE10（I）相、Mg3Zn3RE2（W）相和具有LPSO結構的Mg12ZnRE（X）相，這些強化相可以在不同的熱處理條件下透過不同的元素成分獲得。Mg-Y-Zn合金具有良好的力學效能，應用前景廣闊，為了進一步研究合金化元素在Mg-Y-Zn合金中的應用，可以從以下三個方面開展深入研究。
(1) LPSO相的體積分數和排列方式對Mg-Y-Zn基合金的組織和效能起著至關重要的作用。但是合金化元素新增對LPSO相的影響機制研究不夠充分和明確，特別是各種元素的互動作用和對材料各類效能的影響機制都需要進一步研究和解決。
(2) 已有研究多數以合金化元素的含量為變數，探討元素新增對經過一種工藝處理的Mg-Y-Zn合金的影響。採用不同加工方式和熱處理工藝與不同含量合金化元素新增進行復合處理的方法，進一步改善合金的組織和效能，有待進一步開展研究。
(3) 含其他合金化元素的Mg-Y-Zn鑄造及變形合金的相關熱力學資料不足，導致部分含LPSO相的Mg-Y-Zn基合金的成分設計受阻。含LPSO相的Mg-Y-Zn基合金的研究應與熱力學、動力學和第一性原理結合，形成含LPSO相的Mg-Y-Zn基合金的完整體系，為該系合金在相關領域的應用夯實基礎。
文獻引用：曹富榮，梁晉瑞. 合金化元素對含LPSO相Mg-Y-Zn合金組織和力學效能影響的研究進展[J].特種鑄造及有色合金，2021,41（8）：932-937.
