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

幾十年來(lái)，隨著環(huán)保需求的不斷增長(zhǎng)，我們不斷開發(fā)新型鎂合金，這種低密度、高比強(qiáng)度的鎂合金在航空航天、汽車等領(lǐng)域都有很大的發(fā)展?jié)摿?。然而，傳統(tǒng)的商用鎂合金強(qiáng)度不足，延性差，限制了其廣泛的工程應(yīng)用。因此，在過(guò)去的20年里，人們致力于通過(guò)合金化或熱機(jī)械過(guò)程或兩者結(jié)合來(lái)改善鎂合金的力學(xué)性能。

在常用鎂合金中Zn是一種有效的強(qiáng)化合金元素，如Mg-Zn-Zr（ZK）、Mg-Al-Zn（AZ）和Mg-Zn-Ca（ZX）合金。對(duì)于高強(qiáng)度Mg-Zn系合金，由于Zn元素的高溶解度和在變形和/或時(shí)效過(guò)程中有沉淀傾向，高Zn含量是可取的。進(jìn)一步添加稀土元素（RE）或Zr可以通過(guò)細(xì)化Mg-Zn合金的晶粒和/或使細(xì)小析出相彌散分布來(lái)有效提高合金的強(qiáng)度。特別是，Mg-Zn基ZK60合金在變形鎂合金中具有優(yōu)越的屈服強(qiáng)度和塑性。經(jīng)多道次軋制后，ZK60合金屈服強(qiáng)度為~247 MPa，極限強(qiáng)度為~324 MPa，伸長(zhǎng)率為~17.6%。然而，稀土/鋯合金的高成本阻礙了其廣泛應(yīng)用，因此無(wú)稀土/鋯鎂合金的研究仍在繼續(xù)。近年來(lái)，Ca被認(rèn)為可以通過(guò)細(xì)化組織，促進(jìn)沉淀，弱化織構(gòu)來(lái)改善Mg-Zn系合金的性能。特別是Ca溶質(zhì)能有效地增強(qiáng)<c+a>位錯(cuò)的交叉滑移和塑性。因此，成本較低的Mg-Zn-Ca合金被認(rèn)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(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)較粗的共晶相。對(duì)于Mg-Zn-Ca系合金，根據(jù)Zn/Ca的比例，金屬間化合物主要為Mg2Ca和/或Ca2Mg6Zn3?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著Ca含量的增加，金屬間化合物相的數(shù)量明顯增加，有報(bào)道稱隨著Ca含量從0.4 wt.%增加到0.8 wt.%，共晶相由半連續(xù)向粗連續(xù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。此外，傳統(tǒng)的均質(zhì)化處理對(duì)于溶解這些具有高共晶溫度的熱穩(wěn)定的含鈣相是無(wú)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(duì)共晶相的形成和演化有很大影響，進(jìn)而影響共晶相的尺寸和形貌。最近，幾項(xiàng)研究揭示了高冷卻速率對(duì)Mg-Al合金的微觀結(jié)構(gòu)改性的有益影響，包括晶粒細(xì)化，最小化共晶相，增加固溶度和微觀結(jié)構(gòu)均勻性。此外，Al-Mg-Si合金經(jīng)過(guò)亞快速凝固（SRS）后，共晶相細(xì)化，顯微偏析較弱，在高冷卻速率（~160 K/s）下，后續(xù)軋制成形性能較好，力學(xué)性能得到改善。

眾所周知，傳統(tǒng)的軋制工藝很難用于生產(chǎn)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(yīng)力（RD）通常導(dǎo)致較強(qiáng)的基底織構(gòu)，從而導(dǎo)致變形的邊緣開裂。同時(shí)，硬脆的粗顆粒是裂紋萌生的優(yōu)先位置，即使壓下量較少，如~20%，也會(huì)嚴(yán)重開裂。事實(shí)上，生產(chǎn)含有粗顆粒的Mg-Zn-Ca合金板材仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

在此，吉林大學(xué)王慧遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)采用SRS-HPR工藝不僅保證了Mg-Zn-Ca合金的成形性，而且細(xì)化了晶粒，使含Ca的顆粒均勻分布，提高了合金的力學(xué)性能。制備的Mg-6Zn-0.2Ca合金板材具有較好的強(qiáng)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(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用。相關(guān)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(fā)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(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)，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(duì)Ca2Mg6Zn3共晶相的尺寸和形貌都有明顯的改善。在后續(xù)的HPR中，Ca2Mg6Zn3相進(jìn)一步細(xì)化，嚴(yán)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(zhì)原子過(guò)多的過(guò)飽和度得以維持。

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

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

圖3 （a）CS和（b）SRS鑄態(tài)樣品的SEM顯微圖，（c）對(duì)應(yīng)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(tài)樣品的EPMA分析及相應(yīng)的（c） Ca和（d） Zn元素的溶質(zhì)譜。

圖6 （a） CS-HPR和（b） SRS-HPR樣品的SEM顯微圖及相應(yīng)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(yīng)的Zn和Ca元素分布。未索引的黑色區(qū)域是用白色箭頭標(biāo)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(yīng)的STEM-EDS圖譜（Zn藍(lán)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(chǎng)TEM圖像；（c）α-Mg基體與納米析出相界面的HRTEM圖像（用虛線標(biāo)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(yīng)的晶粒c軸與ND的偏差。（d） CS-HPR和（e） SRS-HPR樣品的宏觀織構(gòu)。

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(qū)域標(biāo)識(shí)，公差為10°。

圖13 CS-HPR和SRS-HPR試樣的室溫拉伸試驗(yàn)：（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）相應(yīng)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c）加工硬化曲線；（d）拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率之間的關(guān)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(jié)合HPR工藝可以開發(fā)出具有良好塑性和抗拉強(qiáng)度組合的Mg-6Zn-0.2Ca合金，即延伸率為~23%，抗拉強(qiáng)度為~290 MPa，這超過(guò)了之前報(bào)道的大多數(shù)軋制Mg-Zn-Ca合金。在SRS過(guò)程中，增加冷卻速率可以有效細(xì)化含Ca的粗共晶相，隨后的HPR則會(huì)嚴(yán)重破碎細(xì)化粗相。同時(shí)，SRS與HPR結(jié)合可以使晶粒細(xì)化到~2μm，達(dá)到含有過(guò)量Ca溶質(zhì)原子的過(guò)飽和狀態(tài)。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)高水平的Ca溶質(zhì)原子導(dǎo)致屈服點(diǎn)現(xiàn)象和增強(qiáng)應(yīng)變硬化能力在拉伸期間，有助于提高延性。低成本的強(qiáng)度和塑性的平衡結(jié)合（例如，短加工路線和添加無(wú)RE-free元素）使目前的SRS-HPR Mg-Zn-Ca合金在未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)力。