導讀：本文首次采用半固態(tài)和熱擠壓相結(jié)合的方法對擠壓Mg-1.92Zn-0.34Y合金中的二十面體準晶相（I相）進行了細化。半固態(tài)等溫熱處理使微米級的I相顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米片層共晶（α-Mg+I相），片層間距為86 nm。在隨后的250 ℃熱擠壓后，納米層狀共晶相被破碎成均勻分散的納米I相顆粒。基體組織明顯細化，等軸平均晶粒尺寸為2.59±0.81 μm，并觀察到非常規(guī)的織構(gòu)（大部分晶粒的c軸平行于擠壓方向）。該合金在室溫下具有44±2.6%的高拉伸斷裂伸長率（EL），極限抗拉強度（UTS）為258±2.0MPa，拉伸屈服強度（TYS）為176±1.6 MPa。

鍛造鎂合金由于其低密度和高比強度，在航空航天和節(jié)能汽車應用中很有價值。然而，與許多典型鋁合金相比，鎂合金的低力學性能（包括室溫下的低塑性）仍然限制了鎂合金的大規(guī)模工業(yè)應用。環(huán)境溫度下的高塑性對于促進鎂合金在工業(yè)中的廣泛應用具有重要意義。

1995年，在鑄造Mg–Zn–Y合金中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的二十面體Mg3Zn6Y1準晶相（I相）。由于其獨特的晶格結(jié)構(gòu)，使I相具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、低表面能，與α-Mg基體良好的潤濕性。這些特性為移動位錯提供了強大的釘扎效應和高抗剝離性（空化），從而實現(xiàn)了高強度和高延展性。許多研究人員研究了含有I相的Mg-Zn-Y合金，因為它們具有誘人的物理、化學和力學性能。

然而，Mg-Zn-Y合金中的I相在凝固過程中通常形成粗共晶組織。為了獲得有效的強化效果，鎂基體中的I相應破碎成細小均勻的顆粒。一般來說，研究人員都在嘗試使用傳統(tǒng)的熱機械加工（例如熱擠壓）和大塑性變形（SPD）加工（例如高比差速軋制（HRDSR），等通道角擠壓（ECAP）），以破壞共晶I相結(jié)構(gòu)，甚至達到納米級，并細化晶粒α-Mg基質(zhì)的大小。例如，Kwak等人采用差速軋制（DSR）的方法細化了Mg-9.25Zn-1.66Y（wt.%）合金中的I相，合金的抗拉強度達到380MPa，而室溫下的伸長率僅為4.0%，他們將低伸長率歸因于I相顆粒的團聚。上述研究表明，細小分散的I相是有效提高Mg-Zn-Y合金強度和塑性的關(guān)鍵因素。如上所述，在隨后的熱機械加工中，鑄態(tài)共晶I相結(jié)構(gòu)不能完全細化到納米級。另一方面，研究表明，通過織構(gòu)控制，鎂合金的塑性可以得到明顯改善。盡管ECAP和DSR可以改變織構(gòu)，從而提高塑性和成形性。然而，這些工藝復雜且昂貴，目前還不適合工業(yè)應用。Singh等人研究了準晶增強Mg-Zn-Ho合金的力學性能，分析了I相含量對織構(gòu)的影響。認為I相能有效地阻礙基體織構(gòu)的形成。

本研究探討了采用半固態(tài)熱擠壓復合工藝制備低成本（低稀土）高塑性I相增強Mg-Zn-Y合金的可能性。采用半固態(tài)等溫熱處理形成納米層狀共晶I相組織，結(jié)合低溫擠壓（250 ℃），I相和α-Mg基體得到更有效的細化。結(jié)果表明，納米尺度的I相粒子均勻地分散在α-Mg基體中。采用優(yōu)化的熱機械工藝，成功地制備了拉伸伸長率為44%的I相強化Mg-1.92Zn-0.34Y合金。高延展性是由晶粒細化、納米I相粒子的分散和不尋常的織構(gòu)共同作用的結(jié)果。納米I相粒子的均勻分散可以通過顆粒誘導形核機制促進晶粒細化，從而產(chǎn)生非常規(guī)的織構(gòu)（在動態(tài)再結(jié)晶過程中，c軸平行于擠壓方向排列，這有助于提高塑性）。這項工作為高塑性鎂合金的進一步發(fā)展提供了新的思路。

西南交通大學張英波等人將相關(guān)研究成果以High-ductility fine-grained Mg-1.92Zn-0.34Y alloy fabricated by semisolid and then hot extrusion為題發(fā)表在Journal of Magnesium and Alloys上

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.05.022

采用半固態(tài)等溫熱處理（擠壓態(tài)樣品在560 ℃的電阻爐中保溫60 min，然后在60 ℃的水中淬火）和熱擠壓（250 ℃）工藝制備了均勻分散的納米I相顆粒。半固態(tài)和熱擠壓工藝的結(jié)合改變了鎂合金的織構(gòu)行為，并產(chǎn)生了非常規(guī)織構(gòu)，其中c軸與擠壓方向平行排列。采用半固態(tài)熱擠壓工藝成功制備了高塑性、低成本的I相強化Mg-1.92Zn-0.34Y合金。在室溫下，合金的拉伸斷裂伸長率（EL）為44±2.6%，極限抗拉強度（UTS）為258±2.0 MPa，拉伸屈服強度（TYS）為176±1.6 MPa

圖1 擠壓態(tài)Mg-1.92Zn-0.34Y合金在（a）TD-ND面和（b）TD-ED面上的SEM圖像（ED：擠壓方向；TD：橫向；ND：正常方向）。

圖2 Mg-1.92Zn-0.34Y合金第二相的EDS元素圖譜和EDS點掃描結(jié)果（a），（b）擠壓態(tài)；（c），（d）半固態(tài)；（e），（f）半固態(tài)熱擠壓；和（g），（h）雙擠壓。

圖3 不同工藝條件下Mg-1.92Zn-0.34Y合金的XRD圖譜。

圖4 半固態(tài)合金樣品的（a）擠壓態(tài)DSC曲線和（b）TEM顯微照片，以及（c）-（f）Mg-1.92Zn-0.34Y合金半固態(tài)處理的（α-Mg+I相）共晶組織。

圖5 Mg-1.92Zn-0.34Y合金在不同工藝條件下的OM和SEM圖像顯示了I相和α-Mg晶粒的分布。（a），（b）和（c）半固態(tài)熱擠壓；（d），（e）和（f）雙重擠壓。

圖6顯示了Mg-1.92Zn-0.34Y合金在不同加工條件下的EBSD分析結(jié)果。圖6（a）-（c）表示Mg-1.92Zn-0.34Y鋁合金的IPF圖（沿法線方向（ND）的反極圖）。擠壓態(tài)合金顯示出由高度拉長的粗變形晶粒和細動態(tài)再結(jié)晶晶粒組成的雙峰微觀結(jié)構(gòu)（圖6（a））。半固態(tài)熱擠壓合金（圖6（b））具有完全再結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，并且由尺寸幾乎均勻的等軸晶粒組成。雙擠壓合金顯示出由細再結(jié)晶、未再結(jié)晶的變形晶粒和具有斷裂形態(tài)的微米級I相組成的多峰微觀結(jié)構(gòu)（圖6（c）和圖5（e））。

圖6 Mg-1.92Zn-0.34Y合金的反極圖和晶粒尺寸分布（a），（d）擠壓態(tài)；（b），（e）半固態(tài)熱擠壓；（c），（f）雙重擠壓。

圖7 Mg-1.92Zn-0.34Y合金晶界錯向角及其分布（a），（d）擠壓態(tài)；（b），（e）半固態(tài)熱擠壓；（c），（f）雙重擠壓。

如圖8所示，它表明擠壓態(tài)和雙擠壓合金都表現(xiàn)出弱擠壓織構(gòu)（（ED）∥<< span=“”>100>纖維紋理），其基面沿橫向（TD）旋轉(zhuǎn)，最大強度值為7.0和5.7MRD。然而，半固態(tài)熱擠壓合金表現(xiàn)出弱而顯著的非常規(guī)織構(gòu)，即（0001）面垂直于擠壓方向（ED）排列，其中c軸平行于擠壓方向排列，因此棱柱面平行于擠壓方向。同時也呈現(xiàn)出相對分散的隨機紋理，最大強度僅為2.5MRD。非常規(guī)織構(gòu)取決于變形過程中施加的應變和變形前材料的狀態(tài)。目前的結(jié)果表明，當使用半固態(tài)和熱擠壓處理相結(jié)合時，不尋常的是有利的。

圖8 Mg-1.92Zn-0.34Y合金的微觀織構(gòu)：（a），（d）擠壓態(tài)；（b），（e）半固態(tài)熱擠壓；（c），（f）雙重擠壓。

圖9 Mg-1.92Zn-0.34Y在不同工藝條件下的工程應力應變曲線

圖10 （a）擠壓態(tài)和（b）半固態(tài)熱擠壓合金的斷口形貌

圖11 含I相Mg-Zn-Y合金不同工藝研究的比較

圖12 本工作中的復合加工技術(shù)示意圖

納米I相粒子的均勻分散可以通過顆粒誘導形核（PSN）促進晶粒細化，導致動態(tài)再結(jié)晶過程中出現(xiàn)非常規(guī)織構(gòu)。晶粒細化、分散的納米級I相粒子以及非常規(guī)的織構(gòu)共同提高了塑性。