近日，東北大學材料學院秦高梧教授團隊「低成本高強塑鎂合金研究」取得重要進展。團隊研發的「高強度低合金化鎂合金」在同類低成本鎂合金中達到了世界最高強度，並成功解決了鎂合金強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計提供了新的發展路徑。相關高水平研究成果在國際金屬材料研究頂級期刊Acta Materialia連續發表，並獲得了國內外研究學者與工業界的廣泛關注。
幾年來，研究團隊在鎂合金相平衡及熱力學計算的基礎上，發現了缺陷誘導Ca溶質動態偏聚的晶粒細化新機制，據此成功設計並製備出了力學性能優異的系列Mg-Ca基合金。2015年， Mg-Ca二元合金的抗拉強度可以達到330 MPa，較韓國Kim組報導的同成分Mg-Ca變形合金的強度值提高了~ 100 MPa，延伸率也可以達到~10% (J. Alloys Compd., 2015, 630:272-276)。2017年，基於傳統的一步擠壓製備了Mg-Ca二元合金，基體的晶粒尺寸可以繼續細化至~ 0.7 μm，室溫抗拉強度因此達到了~ 400 MPa（Mater. Lett., 2019, 237:65-68）。2018年，研究團隊在常規擠壓的Mg-2Ca-2Sn非稀土合金中發現添加少量的Ca元素即可以誘導Ca在晶界/亞晶界處的偏聚和nano-Mg2Ca的動態析出，通過充分發揮合金化元素以及擠壓工藝的細晶作用，最終獲得α-Mg基體細化至常規擠壓難以實現的亞微米尺寸（~ 0.32 μm），因此表現出了優異的力學性能（屈服強度~ 443 MPa）（圖1）。該合金可以在~ 4 wt.%的溶質含量下獲取超高強，即實現了「高強度低合金化的鎂合金」（Acta Materialia, 2018, 149: 350-363）。
圖1. 超高強含Ca變形鎂合金的微觀組織特徵
為突破鎂合金強度與塑性互斥的難題，研究團隊最近提出了基於多組元溶質元素動態偏聚來構築高密度低能界面鎂合金的設計新思路，實現了優異的強塑匹配特性。擠壓態Mg-Ca-Al-Mn-Zn合金（溶質總含量~2.4 wt.%）實現了屈服強度~ 425 MPa，抗拉強度~ 442 MPa，延伸率~ 11 %（Acta Materialia, 2020, 186: 278-290）。
圖2. 新型低成本高強塑性Mg-Ca-Al-Zn-Mn合金的組織與性能表徵
基於上述溶質原子在晶體缺陷的動態偏聚思想，研究團隊後續將進一步結合第一性原理、分子動力學與相圖計算，設計並製備出綜合性能更加優異的低成本、高強塑兼備的變形鎂合金材料，以滿足不同領域的工程實際需求。
相關成果發表系列論文的第一作者是團隊的潘虎成副教授，同時澳大利亞Monash 大學、美國 Ohio 州立大學、中科院金屬研究所、西工大凝固國家重點實驗室、重慶大學、北京工業大學、中國科學院力學研究所等國內外多家研發機構參與該項工作。相關研究依託東北大學輕合金「興遼英才計劃」重點創新團隊，並得到了國家傑出青年基金項目、國家基金委-山西聯合重點項目以及科技部「十三五」國家重點研發計劃的資助。