超細晶鎂合金的研究現狀及展望

金 晨，林占宏，趙 壽，王雪蓮

（青海鹽湖特立鎂有限公司，青海 西寧 810000）

鎂合金的結構以密排六方為主，獨立滑移系比較少，如果發生塑性變形并不能開啟足夠的滑移系，影響了鎂合金的工程應用。而超細晶合金具有更優秀的力學性能，所以制備超精細鎂合金是目前技術研發的關鍵方向。

1 超細晶鎂合金概述

超細晶材料是指晶粒度在100nm～1μm的多晶金屬材料，對于鎂合金超細晶材料，晶粒尺寸在5μm以下也可以成為超細晶材料，因此超細晶鎂合金材料一般指晶粒尺寸在100nm～5μm的鎂合金材料。材料的晶粒尺寸會影響材料屈服強度，一般使用H-P關系進行分析，可以確定通過縮小晶粒的大小，能夠讓材料獲得更高的屈服強度。尤其是在超細晶金屬材料的力學性能分析中，使用H-P關系式可以充分展現材料的力學性能，可以準確證明細小晶粒能控制外力作用下所導致的塑性變形，變形會分散在多個晶粒內，并形成比較均勻的塑性變形，應力集中相對較小。實現多晶界面協調變形，從而提升材料的塑性。

如果晶粒尺寸過大，不僅合金的屈服強度會明顯降低，合金的抗拉強度也會下降。經過研究，通過降低鎂合金的晶粒尺寸，合金將會獲得更高的抗拉強度，還能提升和進的拉伸率。所以，為了提升鎂合金的性能，就需要提升合金的晶粒細度，滿足對合金綜合性能的要求。在目前的研究中發現，晶粒尺寸的降低到超細晶尺度，合金的材料強度將會明顯上升，并且塑性也得到了明顯改善，相對于粗晶材料展現出了更強的綜合力學性能。

鎂合金材料的尺寸在20μm以下時，若在其熔點的0.7倍溫度進行拉伸，鎂合金材料能表現出超塑性特征。例如對超細晶、細晶、粗晶材料對比，越大的晶粒的合金所展現出的超塑性能就越弱，并且隨著粒徑的增大，主要因為晶粒過粗的情況下晶粒之間不能協調變形，必須有更多的結晶核保證變形協調；如果晶粒細小，只需要較低溫度就能達到超塑性變形要求，比如鎂錳合金和鎂鋰合金在室溫條件下低應變速率變形時，就可以表現出超塑性變形，高溫環境中變形時，細小晶粒在滑移面還會有再結晶形核產生，所以超細合金會有比較強的塑變形能力，超塑性得到了明顯提升。

所以，在室溫環境下，變形鎂合金及表現出了比較高的強度，同時還具有超塑性特征。因此，制備超細晶鋁鎂合金能夠提升鎂合金的性能，對提升鎂合金應用的廣泛性有著極高的意義。

2 超細晶鎂合金制備

2.1 高壓扭轉技術

高壓扭轉技術使用高壓和扭轉處理樣品，制備工作中，對上下壓頭之間的樣品施加GPa級別壓力，同時施加扭轉力，從而使樣品發生扭轉。扭轉過程中，樣品在尺寸上并沒有出現變化，但是樣品的外側和內側的切應變有明顯不同，外側的應變較大，而內側應變相對較小，使得樣品晶體中的晶粒破碎，并在高壓之下重組，晶粒的尺寸在制備過程中不斷縮小，最后就獲得了超細晶鎂合金，甚至可以制備納米級晶粒。

使用高壓扭轉技術獲得的超細晶鎂合金的強度、延伸率、中低溫或者室溫的超塑性都很高，使用該方法獲得鎂鋰合金，平均晶粒在240±100nm左右，在室溫條件下，就可以獲得440%左右的超塑性和延伸率。制備后的合金材料獲得超塑性的主要原因在于變形的微觀變化以晶界滑動為主，位錯滑移作為變形過程中的協調變形，晶界滑移的占比為60%，合金獲得了較好的性能。

2.2 等徑通道擠壓技術

等徑通道擠壓技術簡稱ECAP，是一種非對稱的擠壓方式，該方法下制備超細晶合金時，利用外加荷載推動使樣品通過設定好的通道，依靠切力的作用實現大應變變形，最終就可以獲得極為更細小的晶粒。通道的內外角度將會決定變形情況，可以直接反映每個道次材料的等效變形情況。制備過程中，等效應變量會隨著內角度的增大而減小，如果內角度固定，則等效變量會隨著外角度的變大而減小，但是減小幅度比受內角度的影響小。并且，變形過程中道次越多，就會產生越大的等效應變量。經過研究，使用ECAP方法經過8道次制備超細晶鎂合金，最終能獲得平均晶粒尺寸在340納米的合金成品，屈服強度達到427MPa，具備10%的延伸率。經過研究，可以確定使用等徑管道擠壓時，其變形屬于非對稱變形，相比對稱變形相比，該方法在細化晶粒上具有更好的效果，能夠改善合金才材料的組織結構，以提升合金的塑性變形能力，而且在應用過程中，還能在不改變材料外觀的情況下，提升材料的塑性和強度。

2.3 累積疊軋焊技術

累計疊軋焊屬于軋制技術，將兩塊或者兩塊以上的板材進行表面處理，然后通過軋制將其拼接，之后在加熱到一定的溫度繼續軋制，經過軋制之后切割板材，在重新將獲得兩塊板材獲得多塊板材軋制成一塊并達到指定厚度，獲得最終的軋制板材。

使用累計疊軋焊技術獲得的超細晶合金的塑性變形程度很高，而且應變也比較大，但是隨著下壓量的增大，板材也會逐漸變薄，并不會有過大的變形，因此需要在多次疊軋之后才能得到足夠的應變量。使用該方法還具有分層界面的特點，板材在疊軋后微觀結構上會形成多個連接界面，雖然經過多次疊軋之后界面不會徹底消失，但是界面特征會逐漸削弱。由于疊軋界面的存在，裂紋在合金內部的擴展會受到限制，會使材料具備原有樣品更強的斷裂韌性，還提升了材料的損傷容限，極大程度上提升了材料的性能。

使用鎂鋅合金、鋁合金鋼板經過2道次和4道次疊軋之后，能夠獲得晶粒尺寸在1μm～1.3μm的合金鋼板。和美心合金相比，經過2道次疊軋之后的合金板材的抗拉強度提升明顯，4道次疊軋的合金板材的抗拉強度更高，證明通過疊軋獲得的粘接界面可以抑制微裂紋向外拓展，對提升材料塑性有很好的效果。

2.4 多向鍛造技術

多項鍛造技術是一個相對古老技術，人類最初在鑄劍時，就會將加熱的合金金屬進行反復鍛打，降低合金中雜質含量，以及使合金擁有更加均勻的成分，提升合金的組織致密性。從微觀角度，鍛造之后的合金晶粒得到了細化，提升了材料的總體性能。由于不同鍛造區的形變具有不均勻性，因此合金也容易存在組織不均勻的情況，所以相比其他方法制造的超細晶合金材料在均勻性上比較差。該工藝下獲得的材料變形溫度在熔點的0.1到0.5倍，具有較高的變形溫度。

根據相關研究，經過15道次鍛造之后，能夠獲得晶粒尺寸為0.8μm的合金材料，并且鍛造過程中，合金出現了動態再結晶現象，隨著變形量增大，再結晶程度逐漸增加。經過15道次后，得到完全再結晶的細小晶粒組織，材料獲得了較強的力學性能，屈服強度也提升到原來的二倍。

3 鎂合金設計

通過前文分析，通過制備超細晶鎂合金，能使鎂合金具備更高的屈服強度，利用細小至超細晶尺寸的晶粒可以誘導晶界滑移，以及控制室溫再結晶的變形機制，在變形時協調變形，使材料在室溫下具備更強的變形能力，提升材料的塑性，甚至達到室溫下的超塑性要求。

設計鎂合金時，可以通過調整其他元素來調控鎂合金的微觀組織，使鎂合金可以獲得滿足正常應用的性能。目前對合金的強化機制包括固溶強化、第二相強化和晶粒細化。可以改變材料的內在晶格抗力、固溶強化作用、H-P強化作用等等。所以在制備良好鎂合金時，應該通過細化晶粒和提高合金元素固溶度等方法實現。

在制備超細晶鎂合金材料時，需要利用制備過程使鎂合金在微觀結構上出現再結晶行為，因此在添加合金元素時，也要從調控鎂合金的再結晶方面進行分析。因此，需要研究不同合金元素對鎂合金再結晶的影響機制，從而保證添加的合金元素能達到再結晶的目的。目前再結晶的機制主要包括晶界形核、剪切帶形核、變形孿晶形核、粒子刺激形核、亞晶界遷移形核集中。出粒子刺激形核，其他集中方式形核時都會導致晶粒的缺陷，因此合金化的過程中，對再結晶的影響相對較小。在使用粒子刺激形核時，會使用第二相粒子有道再結晶形核，因此對合金所添加的金屬元素形成的第二相對合金化過程中再結晶形核會產生一定的影響。如果第二相粒子尺寸達到了1μm以上，就能夠促進再結晶形核，但是如果第二相的粒子尺寸低于1μm，對再結晶形核就會產生阻礙作用。

目前的合金設計中，研究的熱門方向是鎂錳合金體系，該類合金在超細晶合金制備的研究中也取得了比較多的成果。經過研究發現，通過在合金中添加一定的錳元素，可以使處于積壓態下的鎂-鋁-鈣合金晶粒尺寸被進一步細化，從而使合金也能具備比較強的力學性能。使用粒子刺激形核制備超細晶合金時，添加能夠和基體生成大量彌散分布的、粒徑在1μm以上的單一組元，比如可以添加鋁元素，就能夠和鎂反應再結晶形核。

在添加元素時，相應的固溶度也要控制在合理的范圍內，如果合金的固溶度過高，會導致合金晶格抗力過強，導致合金需要價高的溫度才能產生形變，高溫下再結晶晶粒很容易長大，會影響合金的力學性能。因此必須合理控制合金的固溶度，保證材料的性能。

4 結語

對超細晶鎂合金的制備在于動態控制鎂的再結晶，從而獲得超細級別的新晶粒，目前使用劇烈變形法制備超細晶鎂合金已經比較成熟，而且有較多的制備方法。為了提升制備工藝，還要加強在計算機模擬、控制方面的技術研發，優化合金材料的制備工藝，滿足自動化生產的需求。