东北大学材料学院低成本高强塑镁合金研究取得重要进展

当前，由于轨道交通、航空航天及新能源汽车等领域快速发展，对轻量化新材料技术提出强烈需求，以及来自于能源、经济、资源等方面压力的战略考虑，世界各发达国家给予了镁合金强烈的关注和巨大的投入，推动镁合金技术发展已经到了一个关键时刻。镁合金是最轻的金属结构材料，密度仅为铝的2/3、钢的1/4，在高铁、地铁、汽车、3C电子、航空航天、国防军工等领域具有广阔的应用前景。基于镁中添加稀土元素的时效硬化效应，国内外已开发了多种以Gd、Y等稀土为主合金化元素的高强镁合金。

然而，高含量稀土元素添加带来了以下几个瓶颈问题：

1）大量稀土元素的加入导致镁合金的密度升高；

2）高稀土含量镁合金的成型性能差、成材率低、加工成本高；

3）大量重稀土元素的添加必将急剧增加镁合金的成本，因此限制了其更广泛的应用。

  如何大幅度提高低成本（低/无稀土）镁合金的绝对强度，是继续拓宽镁产品实际应用的关键问题。最近几年，东北大学材料学院秦高梧教授团队在镁合金相平衡及热力学计算的基础上，发现了缺陷诱导Ca溶质动态偏聚的晶粒细化新机制，据此成功设计并制备出了力学性能优异的系列Mg-Ca基合金。2015年， Mg-Ca二元合金的抗拉强度可以达到330 MPa，较韩国Kim组报道的同成分Mg-Ca变形合金的强度值提高了~ 100 MPa，延伸率也可以达到~10% (J. Alloys Compd., 2015, 630:272-276)。2017年，基于传统的一步挤压制备了Mg-Ca二元合金，基体的晶粒尺寸可以继续细化至~ 0.7 mm，室温抗拉强度因此达到了~ 400 MPa（Mater. Lett., 2019, 237:65-68）。2018年，研发团队在常规挤压的Mg-2Ca-2Sn非稀土合金中发现添加少量的Ca元素即可以诱导Ca在晶界/亚晶界处的偏聚和nano-Mg2Ca的动态析出，通过充分发挥合金化元素以及挤压工艺的细晶作用，最终获得a-Mg基体细化至常规挤压难以实现的亚微米尺寸（~ 0.32 um），因此表现出了优异的力学性能（屈服强度~ 443 MPa）（图1）。