当前，由于轨道交通、航空航天及新能源汽车等领域快速发展，对轻量化新材料技术提出强烈需求，以及来自于能源、经济、资源等方面压力的战略考虑，世界各发达国家给予了镁合金强烈的关注和巨大的投入，推动镁合金技术发展已经到了一个关键时刻。镁合金是最轻的金属结构材料，密度仅为铝的2/3、钢的1/4，在高铁、地铁、汽车、3C电子、航空航天、国防军工等领域具有广阔的应用前景。基于镁中添加稀土元素的时效硬化效应，国内外已开发了多种以Gd、Y等稀土为主合金化元素的高强镁合金。然而，高含量稀土元素添加带来了以下几个瓶颈问题：1）大量稀土元素的加入导致镁合金的密度升高；2）高稀土含量镁合金的成型性能差、成材率低、加工成本高；3）大量重稀土元素的添加必将急剧增加镁合金的成本，因此限制了其更广泛的应用。
如何大幅度提高低成本（低/无稀土）镁合金的绝对强度，是继续拓宽镁产品实际应用的关键问题。最近几年，雷竞技官方主页材料学院秦高梧教授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 m，室温抗拉强度因此达到了~ 400 MPa（Mater. Lett., 2019, 237:65-68）。2018年，研发团队在常规挤压的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-Mg基体细化至常规挤压难以实现的亚微米尺寸（~ 0.32 m），因此表现出了优异的力学性能（屈服强度~ 443 MPa）（图1）。特别的，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）。然而，该合金在高强度下难以兼容良好塑性。
图1.超高强含Ca变形镁合金的微观组织特征
金属结构材料强度与塑性的倒置关系，一直是结构材料领域永恒的研究主题。镁合金也不例外，传统以大角度晶界、非共格析出相界面抑制镁合金位错滑移的合金设计策略，在实现强化效应的同时往往会伴生较大的脆性。而通过发展低错配度的低能界面（如共格析出相界、小角晶界、孪晶界等），有望突破镁合金的强塑性倒置关系。据此，秦高梧教授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），如图2所示。该策略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。
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，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。相关研究依托雷竞技官方主页轻合金“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。
