近日，东北大学材料学院秦高梧教授团队“低成本高强塑镁合金研究”取得重要进展。团队研发的“高强度低合金化镁合金”在同类低成本镁合金中达到了世界最高强度，并成功解决了镁合金强度与塑性互斥的瓶颈难题，为新型高性能变形镁合金材料的设计提供了新的发展路径。相关高水平研究成果在国际金属材料研究顶级期刊Acta Materialia连续发表，并获得了国内外研究学者与工业界的广泛关注。

几年来，研究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 μm，室温抗拉强度因此达到了~ 400 MPa(Mater. Lett., 2019, 237:65-68)。2018年，研究团队在常规挤压的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α-Mg基体细化至常规挤压难以实现的亚微米尺寸(~ 0.32 μm)，因此表现出了优异的力学性能(屈服强度~ 443 MPa)(图1)。该合金可以在~ 4 wt.%的溶质含量下获取超高强，即实现了“高强度低合金化的镁合金”(Acta Materialia, 2018, 149: 350-363)。

图1. 超高强含Ca变形镁合金的微观组织特征

为突破镁合金强度与塑性互斥的难题，研究团队最近提出了基于多组元溶质元素动态偏聚来构筑高密度低能界面镁合金的设计新思路，实现了优异的强塑匹配特性。挤压态Mg-Ca-Al-Mn-Zn合金(溶质总含量~2.4 wt.%)实现了屈服强度~ 425 MPa，抗拉强度~ 442 MPa，延伸率~ 11 %(Acta Materialia, 2020, 186: 278-290)。

图2. 新型低成本高强塑性Mg-Ca-Al-Zn-Mn合金的组织与性能表征

基于上述溶质原子在晶体缺陷的动态偏聚思想，研究团队后续将进一步结合第一性原理、分子动力学与相图计算，设计并制备出综合性能更加优异的低成本、高强塑兼备的变形镁合金材料，以满足不同领域的工程实际需求。

相关成果发表系列论文的第一作者是团队的潘虎成副教授，同时澳大利亚Monash 大学、美国 Ohio 州立大学、中科院金属研究所、西工大凝固国家重点实验室、重庆大学、北京工业大学、中国科学院力学研究所等国内外多家研发机构参与该项工作。相关研究依托东北大学轻合金“兴辽英才计划”重点创新团队，并得到了国家杰出青年基金项目、国家基金委-山西联合重点项目以及科技部“十三五”国家重点研发计划的资助。