重庆大学《Scripta Mater》: 基于固溶热力学设计高阻尼镁合金

导语：现有的研究表明，在镁合金中添加合金元素其阻尼性能会随添加量的增加而恶化，限制了高强高阻尼镁合金的设计。本工作基于多元素固溶相斥的行为特征，筛选了相斥元素组合Sn和Y，发展了近净析出镁合金，纯化基体相，同时使第二相弥散析出，可强化合金，得到了超高阻尼性能且具有良好力学性能前景的功能结构一体化镁合金系。

重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心的袁媛研究员和潘复生院士团队通过合理设计，结合固溶热力学特征制备了Mg-0.69Sn-0.69Y合金，经过高温热处理后的镁合金具有高阻尼性能(ε=1×10⁻³，阻尼值为0.201)和非常低的室温临界应变幅值(ε_cr1=2.97×10⁻⁵)，这是由于基体相的纯化和亚晶的共同作用所致。随着温度的升高，亚结构不稳定，减振能力降低。相关研究以“The ultrahigh damping capacity of Mg-Sn-Y alloy”为标题发表在Scripta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115514

研究发现，Sn和Y在α-Mg相中的固溶体明显低于它们各自在α-Mg相中的固溶度。在480 ℃时，Sn和Y在α-Mg相中的固溶度分别约为9.35 at.%和2.94 at.%。且经过高温析出处理，该合金基体相中存在大量平行位错和亚晶结构。

图1 Mg-0.69Sn-0.69Y 合金的相组成和形貌结构

对于Mg-0.69Sn-0.69Y合金，初生相中的溶质原子很少，因此基体中对位错的硬钉扎很少，在整个测试应变范围内，合金的阻尼值都远高于0.01。

当应变幅值大于临界应变(ε_cr1=2.97×10⁻⁵)时，合金的减振性能急剧提高。结合G-L公式，阻尼值随位错密度的增加而增加。其次，经过高温热处理后，淬火合金中残留了大量的残余空位，高的空位密度带来了位错脱离空位的高能耗。结果表明，高空位密度和高密度位错相结合的Mg-0.69Sn-0.69Y合金具有超高的阻尼性能，从ε_cr1点阻尼值急剧升高。且合金形成的亚晶界是平直的，沿小角度晶界有大量的平行位错，形成了新的耗能来源。两点机制结合使Mg-0.69Sn-0.69Y合金显示了比纯镁更优的阻尼性能。此外，由于固溶析出过程使α-Mg相具有相对较大的晶格常数，结构疏松，空位剥离位错更加容易，因此带来较低的ε_cr1值，使Mg-0.69Sn-0.69Y相对于纯镁显示更强的应变敏感性。

图2 (a) Mg-0.69 Sn-0.69 Y 合金亚晶粒的TEM 明场像显微图。(b-d)相应的选区电子衍射图。

图3 纯镁和镁合金的减振性能

综上，Mg-0.69Sn-0.69Y合金具有优良的减振性能，超高的减振能力(高于纯镁的减振能力)和低的临界应变幅值(对应变幅值高度敏感)，且在较宽的应变范围内均具有高阻尼值。该合金优良的减振性能归因于基体的纯化和较高的空位密度，以及能有效促进平行位错产生的平且直的亚晶的存在。在温度减振试验中，由于亚晶结构的不稳定性，减振能力随着温度的升高而降低。该工作为高强高阻尼镁合金的设计提供了新的设计思路。

重庆大学材料科学与工程学院袁媛研究员为本文的通讯作者，重庆大学材料科学与工程学院硕士生张伦超为论文第一作者，镁中心王敬丰教授和潘复生院士为共同作者。本研究得到国家重点研发项目和自然科学基金项目的资助。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持