镁科研：三元镁合金固溶行为的特征及分类研究

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研究背景

定义为“综合比固溶度”，其中和分别是在温度T时，A、B元素单独固溶于镁基体相（即二元体系）的固溶度值，与对应A和B元素同时固溶于镁基体相，A元素或B元素在三元体系的固溶值。结合三元体系综合比固溶度对于元素含量的函数关系，可以将三元镁合金固溶度分为三类，如图2所示。

镁合金凭借低密度、高比强、高比刚度、优异的电磁屏蔽性、阻尼性能及生物相容性，在交通运输、电子3C、医疗器械及新能源存储等领域具有广阔前景。镁合金的性能极大依赖于合金元素的浓度与固溶行为——即元素的固溶与析出。然而，当前主流热力学数据库中已评估的镁基三元体系数量有限，且部分富镁角的相图准确性较低，难以支撑多元镁合金快速设计；其二，镁合金常用合金元素超50种，衍生的三元/四元合金体系数量庞大，但缺乏对元素固溶行为的系统分类，无法明确“元素组合-固溶特征-性能调控”的关联机制。

最近，重庆大学袁媛教授课题组陈涛博士等人通过热力学计算、第一性原理计算与宏观实验相结合的方法，系统探究了500℃下20种合金元素在190个三元镁合金体系中的固溶行为。研究首次将三元镁合金的固溶行为划分为增益性、互斥性、可比例互替性三类。增益性分类表明两种合金元素在α-Mg中具有共存性，可提升两者的固溶度；互斥性分类表明两种合金元素在α-Mg中具有较低的固溶度，更倾向于形成稳定第二相；可比例互替性分类则表现为三元镁合金体系的固溶度曲线是连接两个亚二元体系溶解度点的直线。该工作通过关键实验和形成焓计算分析了该分类理论的起因，合金元素间的交互作用特征与第二相形成倾向是决定固溶行为分类的主要因素。基于多组元镁合金的固溶行为特征，该研究提出了不同类型高性能镁合金的设计准则。

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图文导读

文章首先通过Thermo-Calc 2019a软件与TCMG5数据库计算了500℃下190个三元镁合金体系的等温截面与固溶度曲线。在Mg-A-B三元合金中，合金元素A的固溶度对合金中第二种合金元素B的固溶度具有显著影响。B元素的固溶度会随着A的固溶度变化主要呈现三种典型趋势：（i）B的固溶度随A固溶度增加急剧下降；（ii）B元素的固溶度随A固溶度增加逐渐降低，固溶度曲线类似一条直线段；（iii）固溶度曲线为一条折线。通过熔炼+200 h退火+EPMA实验表征，如图1所示，作者发现尽管当前一些热力学数据需要修正，但固溶行为仍然为这三种典型趋势。以Mg-Zn-Y体系为例，热力学计算预测会析出MgZn₂相，但实验中实际检测到的是Mg₃Y₂Zn₃相，Y的固溶度随Zn固溶度增加急剧下降。在Mg-Gd-Y体系中，计算得出的固溶度曲线为两段式，而实验测得的基体相成分却完全分布在一条直线上，Gd与Y能够在镁基体中按固定比例实现替代。在Mg-Mn-Ca体系中，Mn与Ca则可以同时固溶。

根据这些曲线的特征和数学分析，研究将

图2三元镁合金体系中固溶行为的典型分类

为阐明固溶分类的物理起因，团队计算了Mg₉₄AB超胞的体积差、形成焓，及典型第二相的形成焓，如图3所示。从超胞看，不同分类体系的原子交互作用差异显著：增益性体系，Mg₉₄MnCa超胞的体积更接近纯Mg，形成焓接近或低于单一元素超胞，晶格畸变小为元素协同固溶创造条件；可比例互替性体系中，Mg₉₄GdY超胞的体积、形成焓与Mg₉₄Gd₂、Mg₉₄Y₂几乎一致，原子替换无额外能量消耗，故可按比例替代；从第二相形成焓看，所有第二相的形成焓均为负值，且形成焓越负，第二相优先级越高：Mg-Zn-Y体系中，Mg₃Y₂Zn₃的形成焓低于MgZn₂，故优先析出，导致Zn与Y互斥；Mg-Gd-Y体系中，Mg₂₄Y₅与Mg₂₄Gd₅形成焓接近，元素可替代进入第二相；Mg-Mn-Ca体系中，Mn与Ca无稳定二元第二相，故可协同固溶。进一步结合元素周期表分析，互斥性元素多属不同族（如Zn属IIB、Y属IIIB），物理性质相差较大；可比例互替性元素多为同主族或邻族，物理性质高度相似；增益性元素虽性质差异大，但无稳定二元化合物，弱交互作用使其协同固溶。

图3 在Mg96超胞中掺入的不同合金元素的交互作用特征：（a）体积差异，（b）形成焓，（c）部分第二相的形成焓

基于三类固溶行为的特性，研究提出针对性的合金设计准则以直接指导高性能镁合金开发（图4）：对于互斥性元素组合，可以通过第二相强化提高镁合金的性能。此外，一些合金元素的固溶会降低镁合金的阻尼、导热、导电、电磁屏蔽性能。因此，当两种元素存在互斥性关系时，可以设计发展近净析出镁合金，纯化镁合金基体相，同时使第二相弥散析出，发展功能结构一体化镁合金系，这些镁合金同时具有较高的力学性能与良好的阻尼、导热、导电、电磁屏蔽性能。对于可比例互替性固溶行为，尽管两种元素具有相似的物理性质，但对镁合金的影响与所起作用可能是不同的，例如：（a）合金元素的价格不一致；（b）合金元素在二元镁合金中的固溶度大小不一致；（c）不同的合金元素对镁合金的强化效果不一致。因此，可以根据两种合金元素的差异（固溶度值、价格、物理性质）设计基于目标性能的替代镁合金或发展低成本镁合金系。对于增益性固溶度分类，镁合金中可以同时固溶两种或多种合金元素，充分发挥不同元素的固溶强化、增塑、耐蚀效果，从而提高镁合金的强度、塑性与耐蚀性等性能。此外，根据这种特点还可以发展单相镁合金以应用于需要均匀受力或腐蚀的服役环境，例如生物镁合金。

图4基于固溶行为分类理论的定向镁合金设计准则

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结论与展望

综上所述，本研究通过“热力学计算-第一性原理-实验表征”等方法，系统揭示了三元镁合金的固溶行为规律。首次将三元镁合金固溶行为划分为增益性、排斥性、可比例互替性三类，提出量化判据，实现了固溶行为的标准化描述。明确了元素交互作用与第二相形成倾向是固溶行为分类的核心驱动因素，建立了“元素物理性质-固溶特征”的关联模型，提出了针对性的高性能镁合金设计准则。未来可基于当前分类理论与设计准则，开展高性能镁合金的成分设计与性能优化研究。