導讀：本文采用亞快速凝固（SRS）與硬板軋制（HPR）相結合的方法成功制備了Mg-6Zn-0.2Ca合金，與常規凝固再硬板軋制相比較，亞快速凝固與硬板軋制相結合的Mg-6Zn-0.2Ca合金在不犧牲抗拉強度（~290 MPa）的情況下，延伸率由17%提高到23%。

幾十年來，隨著環保需求的不斷增長，我們不斷開發新型鎂合金，這種低密度、高比強度的鎂合金在航空航天、汽車等領域都有很大的發展潛力。然而，傳統的商用鎂合金強度不足，延性差，限制了其廣泛的工程應用。因此，在過去的20年里，人們致力于通過合金化或熱機械過程或兩者結合來改善鎂合金的力學性能。

在常用鎂合金中Zn是一種有效的強化合金元素，如Mg-Zn-Zr（ZK）、Mg-Al-Zn（AZ）和Mg-Zn-Ca（ZX）合金。對于高強度Mg-Zn系合金，由于Zn元素的高溶解度和在變形和/或時效過程中有沉淀傾向，高Zn含量是可取的。進一步添加稀土元素（RE）或Zr可以通過細化Mg-Zn合金的晶粒和/或使細小析出相彌散分布來有效提高合金的強度。特別是，Mg-Zn基ZK60合金在變形鎂合金中具有優越的屈服強度和塑性。經多道次軋制后，ZK60合金屈服強度為~247 MPa，極限強度為~324 MPa，伸長率為~17.6%。然而，稀土/鋯合金的高成本阻礙了其廣泛應用，因此無稀土/鋯鎂合金的研究仍在繼續。近年來，Ca被認為可以通過細化組織，促進沉淀，弱化織構來改善Mg-Zn系合金的性能。特別是Ca溶質能有效地增強<c+a>位錯的交叉滑移和塑性。因此，成本較低的Mg-Zn-Ca合金被認為是替代Mg-Zn-Zr合金的潛在候選材料。

由于Ca在鎂基體中的溶解度較低，鈣含量較高的Mg-Zn-Ca合金在凝固過程中往往會出現較粗的共晶相。對于Mg-Zn-Ca系合金，根據Zn/Ca的比例，金屬間化合物主要為Mg2Ca和/或Ca2Mg6Zn3。總的來說，隨著Ca含量的增加，金屬間化合物相的數量明顯增加，有報道稱隨著Ca含量從0.4 wt.%增加到0.8 wt.%，共晶相由半連續向粗連續網絡轉變。此外，傳統的均質化處理對于溶解這些具有高共晶溫度的熱穩定的含鈣相是無效的。

為了減輕或避免這些粗含鈣共晶相的不利影響，改善它們的尺寸和改變其形貌是很有意義的。研究表明，冷卻速率對共晶相的形成和演化有很大影響，進而影響共晶相的尺寸和形貌。最近，幾項研究揭示了高冷卻速率對Mg-Al合金的微觀結構改性的有益影響，包括晶粒細化，最小化共晶相，增加固溶度和微觀結構均勻性。此外，Al-Mg-Si合金經過亞快速凝固（SRS）后，共晶相細化，顯微偏析較弱，在高冷卻速率（~160 K/s）下，后續軋制成形性能較好，力學性能得到改善。

眾所周知，傳統的軋制工藝很難用于生產具有高Zn、高Ca的難變形Mg-Zn-Ca合金。部分原因是由于沿軋制方向的大剪應力（RD）通常導致較強的基底織構，從而導致變形的邊緣開裂。同時，硬脆的粗顆粒是裂紋萌生的優先位置，即使壓下量較少，如~20%，也會嚴重開裂。事實上，生產含有粗顆粒的Mg-Zn-Ca合金板材仍然是一個很大的挑戰。

在此，吉林大學王慧遠教授團隊采用SRS-HPR工藝不僅保證了Mg-Zn-Ca合金的成形性，而且細化了晶粒，使含Ca的顆粒均勻分布，提高了合金的力學性能。制備的Mg-6Zn-0.2Ca合金板材具有較好的強度和延伸率。本研究為低成本制造高性能鎂合金薄板提供了一條新的短加工工藝路線，適合于進一步的工業應用。相關研究成果以“Balancing the strength and ductility of Mg-6Zn-0.2Ca alloy via sub-rapid solidification combined with hard-plate rolling”發表在期刊“Journal of Materials Science & Technology”

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.069

兩種樣品具有相似的細化晶粒結構，平均晶粒尺寸分別為~2.1和~2.5μm。而SRS的高冷卻速率（~150 K/s）對Ca2Mg6Zn3共晶相的尺寸和形貌都有明顯的改善。在后續的HPR中，Ca2Mg6Zn3相進一步細化，嚴重破碎分散均勻。特別在SRS-HPR條件下，由于較高的冷卻速率，所獲得的鈣溶質原子過多的過飽和度得以維持。

圖1 （a）亞快速凝固（SRS）設置示意圖；（b）CS和SRS樣品的冷卻曲線。

圖2 （a）CS和（b）SRS鑄態樣品的EBSD圖和（c）相應的晶粒尺寸分布。未索引的黑色區域是第二相粒子。

圖3 （a）CS和（b）SRS鑄態樣品的SEM顯微圖，（c）對應的EDS線掃描圖和（d）粒度分布。

圖4 （a） CS和SRS樣品的XRD譜圖，（b）（100）、（002）和（101）晶面的衍射峰。

圖5 （a） CS和（b） SRS鑄態樣品的EPMA分析及相應的（c） Ca和（d） Zn元素的溶質譜。

圖6 （a） CS-HPR和（b） SRS-HPR樣品的SEM顯微圖及相應的（c）顆粒尺寸分布和（d）晶粒尺寸分布。

圖7 壓下量約為50%的（a） CS和（b） SRS樣品的（0002）EBSD圖以及相應的Zn和Ca元素分布。未索引的黑色區域是用白色箭頭標記的Ca2Mg6Zn3顆粒。

圖8 （a） CS-HPR和SRS-HPR樣品的XRD譜圖，（b）（100）、（002）和（101）晶面的衍射峰。

圖9 （a） CS-HPR樣品和（b） SRS-HPR樣品的HAADF-STEM圖像，以及（c, d）相應的STEM-EDS圖譜（Zn藍和Ca綠）。黃色箭頭表示的是典型的Ca2Mg6Zn3球形碎片。

圖10 （a） SRS-HPR和（b） CS-HPR樣品的亮場TEM圖像；（c）α-Mg基體與納米析出相界面的HRTEM圖像（用虛線標記）；（d）α-Mg和（e） MgZn2相的FFT圖像。

圖11 （a） CS-HPR和（b） SRS-HPR樣品的EBSD圖譜和（c）相應的晶粒c軸與ND的偏差。（d） CS-HPR和（e） SRS-HPR樣品的宏觀織構。

圖12 （a） CS-HPR樣品和（b） SRS-HPR樣品中c軸與ND平行的硬取向晶粒由紅色區域標識，公差為10°。

圖13 CS-HPR和SRS-HPR試樣的室溫拉伸試驗：（a）工程應力-應變曲線；（b）相應的真應力-應變曲線；（c）加工硬化曲線；（d）拉伸強度與伸長率之間的關系，包括典型的軋制[8,24,56-60]Mg-Zn-Ca合金

綜上所述，在本研究中，SRS結合HPR工藝可以開發出具有良好塑性和抗拉強度組合的Mg-6Zn-0.2Ca合金，即延伸率為~23%，抗拉強度為~290 MPa，這超過了之前報道的大多數軋制Mg-Zn-Ca合金。在SRS過程中，增加冷卻速率可以有效細化含Ca的粗共晶相，隨后的HPR則會嚴重破碎細化粗相。同時，SRS與HPR結合可以使晶粒細化到~2μm，達到含有過量Ca溶質原子的過飽和狀態。有趣的是，我們發現高水平的Ca溶質原子導致屈服點現象和增強應變硬化能力在拉伸期間，有助于提高延性。低成本的強度和塑性的平衡結合（例如，短加工路線和添加無RE-free元素）使目前的SRS-HPR Mg-Zn-Ca合金在未來的工業應用中具有競爭力。