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近日，東北大學(xué)材料學(xué)院秦高梧教授團(tuán)隊(duì)“低成本高強(qiáng)塑鎂合金研究”取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“高強(qiáng)度低合金化鎂合金”在同類低成本鎂合金中達(dá)到了世界最高強(qiáng)度，并成功解決了鎂合金強(qiáng)度與塑性互斥的瓶頸難題，為新型高性能變形鎂合金材料的設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展路徑。相關(guān)高水平研究成果在國際金屬材料研究頂級期刊Acta Materialia連續(xù)發(fā)表，并獲得了國內(nèi)外研究學(xué)者與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
幾年來，研究團(tuán)隊(duì)在鎂合金相平衡及熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了缺陷誘導(dǎo)Ca溶質(zhì)動態(tài)偏聚的晶粒細(xì)化新機(jī)制，據(jù)此成功設(shè)計(jì)并制備出了力學(xué)性能優(yōu)異的系列Mg-Ca基合金。2015年， Mg-Ca二元合金的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到330 MPa，較韓國Kim組報(bào)道的同成分Mg-Ca變形合金的強(qiáng)度值提高了~ 100 MPa，延伸率也可以達(dá)到~10% (J. Alloys Compd., 2015, 630:272-276)。2017年，基于傳統(tǒng)的一步擠壓制備了Mg-Ca二元合金，基體的晶粒尺寸可以繼續(xù)細(xì)化至~ 0.7 μm，室溫抗拉強(qiáng)度因此達(dá)到了~ 400 MPa(Mater. Lett., 2019, 237:65-68)。2018年，研究團(tuán)隊(duì)在常規(guī)擠壓的Mg-2Ca-2Sn非稀土合金中發(fā)現(xiàn)添加少量的Ca元素即可以誘導(dǎo)Ca在晶界/亞晶界處的偏聚和nano-Mg2Ca的動態(tài)析出，通過充分發(fā)揮合金化元素以及擠壓工藝的細(xì)晶作用，最終獲得α-Mg基體細(xì)化至常規(guī)擠壓難以實(shí)現(xiàn)的亞微米尺寸(~ 0.32 μm)，因此表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度~ 443 MPa)(圖1)。該合金可以在~ 4 wt.%的溶質(zhì)含量下獲取超高強(qiáng)，即實(shí)現(xiàn)了“高強(qiáng)度低合金化的鎂合金”(Acta Materialia, 2018, 149: 350-363)。
圖1. 超高強(qiáng)含Ca變形鎂合金的微觀組織特征
為突破鎂合金強(qiáng)度與塑性互斥的難題，研究團(tuán)隊(duì)最近提出了基于多組元溶質(zhì)元素動態(tài)偏聚來構(gòu)筑高密度低能界面鎂合金的設(shè)計(jì)新思路，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)塑匹配特性。擠壓態(tài)Mg-Ca-Al-Mn-Zn合金(溶質(zhì)總含量~2.4 wt.%)實(shí)現(xiàn)了屈服強(qiáng)度~ 425 MPa，抗拉強(qiáng)度~ 442 MPa，延伸率~ 11 %(Acta Materialia, 2020, 186: 278-290)。
圖2. 新型低成本高強(qiáng)塑性Mg-Ca-Al-Zn-Mn合金的組織與性能表征
基于上述溶質(zhì)原子在晶體缺陷的動態(tài)偏聚思想，研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合第一性原理、分子動力學(xué)與相圖計(jì)算，設(shè)計(jì)并制備出綜合性能更加優(yōu)異的低成本、高強(qiáng)塑兼?zhèn)涞淖冃捂V合金材料，以滿足不同領(lǐng)域的工程實(shí)際需求。
相關(guān)成果發(fā)表系列論文的第一作者是團(tuán)隊(duì)的潘虎成副教授，同時(shí)澳大利亞Monash 大學(xué)、美國 Ohio 州立大學(xué)、中科院金屬研究所、西工大凝固國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重慶大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院力學(xué)研究所等國內(nèi)外多家研發(fā)機(jī)構(gòu)參與該項(xiàng)工作。相關(guān)研究依托東北大學(xué)輕合金“興遼英才計(jì)劃”重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，并得到了國家杰出青年基金項(xiàng)目、國家基金委-山西聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目以及科技部“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
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