哈工程《IJP》：强度倍增！强韧化效果优异的新型纳米超晶格析出相

　　沉淀强化是开发Mg合金最有前途的方法之一。然而，铸造镁合金总是具有粗大第二相，导致延展性差。哈尔滨工程大学等单位的研究人员通过稀土Er合金化开发了一种具有优异强化效果的新型纳米级超晶格析出相（NSP）。新开发的铸造Mg-Y-Zn-Er合金的屈服强度为154MPa，抗拉强度为234MPa，总伸长率约为13%。使用TEM和第一性原理对NSP进行了系统性研究。发现平均半径为4 nm的NSP具有五个周期性超晶格结构，且富含Zn、Y和Er。第一性原理表明Zn、Y和Er原子易于在(111)面上偏析。优异的强度主要来自于NSP的有序强化。Er的添加增强了变形过程中位错的增殖和位错系统的激活，有助于延展性。相关工作以“Achieving strength and ductility synergy via a nanoscale superlattice precipitate in a cast Mg-Y-Zn-Er alloy”为题发表在材料塑性力学顶刊《International Journal of Plasticity》上。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103558

　　

　　与锻造镁合金相比，铸造镁合金由于密度低、加工周期短、组装成本低、设计灵活性大和零件集成机会多，所以在航空航天和车辆领域具有重要的应用潜力。在众多铸造镁合金中，铸造镁稀土合金以其高强度、抗蠕变、良好的防火性和耐腐蚀性而受到广泛关注。沉淀强化是提高铸造稀土镁合金强度的主要方法之一。特别是，长周期堆垛有序相（LPSO相）通过阻碍位错运动和激活非基面滑移为镁合金提供了极好的强度和延展性。

　　据报道，在Mg-Zn-RE（稀土元素，RE = Y、Tb、Dy、Ho和Er）系统中观察到了LPSO结构。RE-Mg和Zn-RE在室温下具有负混合焓和HCP结构。稀土在镁基体中的固溶度大于3.75at%，稀土和镁之间的原子大小差异在8.4%~11.9%。REs的所有这些方面都有利于LPSO的形成。虽然LPSO相大大提高了变形镁合金的力学性能，但在铸造镁稀土合金中，其强度和延展性的结合较差。在铸造镁稀土合金中，LPSO相或富稀土相总是过于粗大，无法在后续热处理中消除。大多数粗大第二相（例如含RE、Ca和Si相）通常会在变形时引起脆性，因为微裂纹可能是由基体/颗粒界面的分离或颗粒的断裂产生的。因此，通过双辊铸造减少和分散镁合金的第二相并提高冷却速率已被广泛研究。然而，进一步提高铸镁的强度和延展性仍然是一个很大的挑战。

　　由于纳米级析出相通过剪切机制阻碍位错滑移，因此共格纳米析出相强化钢表现出高强度而不会损失延展性。在马氏体时效钢中，通过引入高密度共格纳米级析出相，合金强度可以达到2.2 GPa。基于位错剪切机制理论，均匀分布的高密度纳米析出相降低了应力集中，防止纳米析出相与基体界面处裂纹的出现。因此，通过将共格纳米级沉淀相引入镁合金中，有望在不损失延展性的情况下获得优异的强度。

　　铒（Er）是一种重稀土元素，满足镁合金中LPSO结构的形成标准。此外，Er元素在Mg基体中具有较大的固溶度（在共晶温度下为32.7wt.%），并且具有比Mg（1.60 ?）更大的原子半径（1.76 ?），因此，Er元素在Mg中的溶解会导致Mg晶格膨胀。由于原子半径较小（1.39 ?），溶解在Mg中的Zn元素会导致Mg晶格收缩。因此，容易形成的Er-Zn对可以引起最小的晶格畸变和弹性应变能，降低析出阻力。

　　为此，哈尔滨工程大学开发了一种通过添加Er、Y和Zn元素引入NSP来提高铸造镁合金的屈服强度而不损失延展性的方法，系统地表征了Er对微观结构的影响，包括LPSO相、W相和NSP的形成，并详细研究和讨论了LPSO相、W相和NSP对镁合金力学性能的影响。

　　

　　图1：(a) 98Y1Zn1和Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的工程应力-应变曲线；(b)铸造Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金与其他铸造镁合金的抗拉强度和延伸率比较。

　　

　　图2：铸造98Y1Zn1合金和Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的显微组织。(a)铸造98Y1Zn1合金的EBSD图；(b)铸造Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的EBSD图；(c)98Y1Zn1合金的SEM显微组织图像；(d)Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金，高倍放大SEM图像显示；(e)98Y1Zn1合金；(f)Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金中的第二相。

　　

　　图3：铸造98Y1Zn1和Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的XRD图。

　　

　　图4：(a)98Y1Zn1和(b)Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金中LPSO相的TEM图像和相应的SAED图；(c)98Y1Zn1和(d)Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金中W相的TEM图像和相应的SAED图。

　　

　　图5：(a)铸态98Y1Zn1和(b)铸态Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的HAADF-TEM照片（沉淀相用白色箭头标记）；(a)和(b)的HAADF-TEM图像分别由TEM、FEI Talos F200X G2和TEM、FEI Themis Z以及球面像差校正器表征。

　　

　　图6：(a)铸造Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的高分辨率TEM图像；(b)对应于(a)中白框指示的局部区域的FFT图案；(c)IFFT图像对应于(a)；(d)NSP和Mg基体之间的界面。

　　

　　图7：Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金中超晶格(a)和Mg矩阵(b)的宽度，通过IFFT图像和选定的区域衍射图（插图）。

　　

　　图8：Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金中NSP的HAADF-TEM/EDS图像和元素分布。

　　

　　图9：Er、Y和Zn不同亚晶格占有率NSP形成能DFT计算。

　　

　　图10：(a)98Y1Zn1合金和Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金真应力-应变曲线和加工硬化曲线；(b)和(c)分别是98Y1Zn1合金和Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的断口形貌。

　　总之，本研究通过稀土Er合金化向镁合金中引入NSP，开发了一种具有优异强度-延展性协同作用的新型铸造镁合金。系统地研究了NSP的形成及其强化/塑化过程。得到的铸造98Y1Zn1合金具有77 MPa的屈服强度和13%的延伸率。将NSP引入铸造98Y1Zn1合金中可使屈服强度加倍，而不会破坏延展性。NSP强化后的铸Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金的屈服强度为154 MPa，抗拉强度为234 MPa，延伸率为13%。

　　在Mg-Y-Zn合金中添加Er并没有改变显微组织，包括有效晶粒尺寸、网状分布的18R LPSO相和W相。但是，Er的加入促进了NSPs的沉淀。精细NSP均匀分布在Mg基体中，优异的强度主要是通过位错剪切机制和固溶强化对NSP的有序强化贡献。

　　应变后Mg97.5Y1Zn1Er0.5中的位错密度远高于应变后98Y1Zn1中的位错密度。Mg97.5Y1Zn1Er0.5合金中和位错均可被激活，而98Y1Zn1合金中只有位错可被激活。NSP增强了变形过程中位错的增殖。位错倍增和激活位错系统有助于兼顾高屈服强度水平下的延展性。（文：早早）

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