王乐耘、曾小勤:一种具有超高可加工性的低成本镁合金

gaodingpiao

镁合金是最轻的金属结构材料，在汽车、航空航天等领域的结构轻量化方面有广阔的应用前景。然而，镁的晶体对称性低，导致其室温可加工性差。这个缺点推高了镁合金零件的制备成本，严重削弱了这种材料的竞争优势。材料可加工性受到拉伸延伸率和加工硬化率两个因素的影响。采用添加稀土元素、晶粒细化、析出强化等传统方法，一般只能提高镁合金的拉伸延伸率或加工硬化率中的一项，难以同时提高两项。
       上海交通大学材料学院轻合金研究所的王乐耘研究员和曾小勤教授团队，在热力学计算的指导下设计了一种新型的Mg-Al-Ca三元合金。通过精确设定合金元素Al和Ca的含量以及热处理条件，使成型材料中仅析出Al2Ca相，而避免了对塑性有害的Mg2Ca和Mg17Al12相。与镁中的常规析出相不同，这种Al2Ca相具有亚微米级尺寸，且其晶体取向随机。这些Al2Ca析出相一方面阻碍镁基体中的位错滑移，提高材料的加工硬化率。另一方面，Al2Ca析出相本身具有类似面心立方的晶体结构，可以在其{111}晶面上形成位错和堆垛层错而启动塑性变形。Al2Ca相的内部塑性有效消除了局部应力集中，使材料能够保持高延伸率。此外，溶质Al和Ca抑制孪晶形核，同时促进了位错，这些也有利于材料的延伸率提升。由于上述机制，这种合金的室温延伸率高达27%，加工硬化量（以拉伸强度和屈服强度之差表示）可达135MPa。上述性能组合高于已知的所有镁合金。这种具有超高可加工性的新型Mg-Al-Ca合金无需使用昂贵的稀土元素，通过普通的挤压工艺一步成型，因此其生产成本很低，有很好的实际应用前景。

低成本镁合金

图1. （A）运用Thermo-Calc作热力学计算，确定合适的热处理条件及对应的相组分；（B）运用TKD技术表征亚微米级的Al2Ca相；（C）通过同步辐射衍射对Al2Ca相的体积分数做定量分析；（D）Al2Ca相内部的堆垛层错变形；（E）晶格应变分析表明Al2Ca相对材料具有强化作用；（F）Mg-Al-Ca合金与其他合金的延伸率及加工硬化量的对比；（G）Mg-Al-Ca合金的微观变形机制小结。
        该工作以“Highly deformable Mg–Al–Ca alloy with Al2Ca precipitates”为题发表在金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上 (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.006)。博士生朱高明为论文第一作者，王乐耘研究员为论文通讯作者。论文主要合作者还包括美国内布拉斯加大学林肯分校的王健教授以及美国APS光源的Jun-Sang Park博士。
        该工作得到了国家自然科学基金、青年长江学者奖励计划、上海市青年科技启明星计划的支持。

撰稿人：王乐耘

      

        文章来源：上海交通大学
        王乐耘,上海交通大学研究员，2007年本科毕业于清华大学材料科学与工程系，2011年获美国密歇根州立大学材料科学博士学位。2011至2015年先后就职于美国阿贡国家实验室（博士后）与德国亥姆霍兹材料与海洋研究中心 (洪堡学者)，2015年底回国加入上海交通大学材料学院担任特别研究员。主要研究方向为：金属材料微结构与性能、同步辐射X射线表征技术。目前作为项目负责人承担自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划子课题、上海市浦江人才计划等国家与省部级课题。在Acta Materialia、Scripta Materialia等国际材料期刊上发表SCI论文20余篇，累计他引600余次，h因子14。与美国阿贡国家实验室、密西根大学、西北大学、德国DESY同步辐射光源、HZG研究所等国际研究机构展开合作。王乐耘研究员基于同步辐射技术，研究了镁合金中LPSO相的强韧化机制，纯钛中的孪晶形核与位错滑移的CRSS测量以及固溶元素对镁合金滑移及塑性的影响。3DXRD与工程测试平台以及晶体塑性有限元模拟相结合，通过追踪晶粒旋转和实时应力，准确测量孪晶和滑移开启的临界分切应力。
             曾小勤现为上海交通大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、轻合金精密成型国家工程中心副主任、上海镁材料及应用工程中心主任。曾获教育部“新世纪优秀人才”、上海市“曙光学者”等荣誉，担任中国材料研究学会理事、科技部重点研发计划指南专家（材料基因组工程）、Journal of Material Science and Technology等4家学术期刊编委。曾小勤教授长期从事先进镁合金设计与制备研究，针对镁易氧化燃烧和强韧性差的问题，提出了“多元微合金化阻燃”和“稀土时效析出相强化”的学术思想，研制了阻燃镁合金和高强度稀土镁合金，在航空航天等重大工程中推广应用。发表SCIE收录论文217篇，SC他引3479次，H因子38，2篇ESI高被引论文。参编专著2本，申请发明专利70项，美国专利1项，参编国家标准2项。获国家科技进步二等奖、教育部技术发明二等奖、国防科技进步二等奖和上海市技术发明一等奖，并获得HZG国际镁研究奖。