镁科研：尖晶石(MgAl2O4)粉末孕育细化Mg-Al合金晶粒

镁合金是当前最轻的金属结构材料，在航天航空与交通运输等领域具有广阔的应用前景，但其强度和塑性成型性差制约其推广应用，晶粒细化是提升镁合金材料强度与塑性成型性的有效手段。针对商用较为广泛的Mg-Al系合金，研究者已经开发了许多孕育细化手段，如过热法、碳质孕育法以及外场处理等方法。高温熔炼过程中的合金熔体不可避免会发生氧化并在熔体中产生氧化夹杂。在钢铁和铝合金领域，利用氧化物夹杂如MgO×Al2O3、TiO2、Ti-Ca-(O、S)等孕育可以诱发异质形核，实现晶粒细化。MgO和MgAl2O4是Mg-Al熔体中常见的氧化夹杂，探究氧化夹杂在镁合金熔体的孕育细化能力及其细化机理，实现夹杂有益化利用，值得关注。

最近，华南理工大学杜军教授等人提出利用MgAl2O4尖晶石型氧化夹杂粉末孕育细化Mg-Al系镁合金。研究结果表明，外加MgAl2O4粉末孕育可以实现Mg-Al系合金的a-Mg晶粒细化。经MgAl2O4孕育处理后，Mg-3Al晶粒尺寸从535μm显著下降至120μm。同时，孕育细化后的Mg-3Al合金力学性能得到提升。结果表明，MgAl2O4颗粒是有效的a-Mg晶粒形核基底。这项工作创新性地提出一种利用MgAl2O4氧化夹杂颗粒孕育细化镁合金的方法，对于利用氧化夹杂调控细化镁合金具有重要启发意义和参考价值。

本文系统研究了MgAl2O4粉末添加量对Mg-3Al合金晶粒尺寸的影响，如图1所示。相比未处理Mg-3Al合金，经过MgAl2O4粉末孕育处理后的Mg-3Al合金晶粒发生显著细化。添加2.0wt.%的MgAl2O4粉末孕育，Mg-3Al合金获得最小平均晶粒尺寸（120μm）。经过MgAl2O4粉末孕育细化，Mg-3Al合金力学性能得到提升。

图1 MgAl2O4粉末形貌(a)；不同添加量MgAl2O4粉末孕育处理Mg-3Al合金晶粒形貌：(b) 0wt.%、(c) 0.2wt.%、(d) 0.5wt.%、(e) 1.0wt.%、(f) 1.5wt.%、(g) 2.0wt.%、(h) 2.5wt.%；平均晶粒尺寸(i)；应力应变曲线(j)和力学性能(k)

此外，研究了不同保温时间对MgAl2O4粉末孕育Mg-3Al合金晶粒尺寸的影响，如图2所示。相比于未孕育处理Mg-3Al合金，添加MgAl2O4孕育2 min即可获得显著的晶粒细化效果，当MgAl2O4孕育熔体时间超过10 min后，出现轻微的孕育衰退现象。

图2 不同保温时间下的MgAl2O4粉末孕育Mg-3Al合金晶粒形貌：(a) 0 min（不孕育）、(b) 2 min、(c) 5 min、(d) 10 min、(e) 20 min、(f) 40 min；晶粒尺寸(g)

图3所示为Al元素含量对MgAl2O4粉末孕育Mg-Al系合金晶粒尺寸的影响。结果表明，MgAl2O4粉末孕育对于纯Mg具有一定的细化效果，而Al溶质元素对MgAl2O4粉末孕育细化率有显著影响。随着Al含量从1wt.%增加至3wt.%，晶粒细化效率从47%上升至78%，这是由于随着Al溶质元素的增加，凝固过程成分过冷增加，更多的有效异质形核颗粒被激活成核，晶粒细化效率增加。随着Al含量增加至5wt.%和8wt.%，晶粒细化效率呈下降趋势，细化效率与溶质元素含量之间存在关联。

图3 Mg-xAl合金晶粒形貌：纯Mg(a0)、Mg-1Al(b0)、Mg-2Al(c0)、Mg-3Al(d0)、Mg-5Al(e0)、Mg-8Al(f0)；MgAl2O4粉末孕育Mg-xAl合金晶粒形貌：纯Mg(a1)、Mg-1Al(b1)、Mg-2Al(c1)、Mg-3Al(d1)、Mg-5Al(e1)、Mg-8Al(f1)；晶粒尺寸(g)和晶粒细化率(h)

基于边对边匹配（E2EM）模型和SEM观测分析和讨论了MgAl2O4孕育Mg-Al合金的细化机制，如表1和图4所示。结果表明，MgAl2O4与a-Mg具有较低的错配度。MgAl2O4是潜在的a-Mg晶粒有效形核核心。外加MgAl2O4颗粒在Mg-Al合金中稳定存在，位于晶粒中心的MgAl2O4颗粒是该晶粒的形核基底。MgAl2O4粉末孕育细化Mg-Al合金归因于MgAl2O4颗粒作为有效的形核基底，诱发异质形核。

表1 基于E2EM模型的a-Mg/MgAl2O4错配度计算

图4 MgAl2O4孕育Mg-xAl合金组织：纯Mg(a)、Mg-1Al(b)、Mg-2Al(c)、Mg-3Al(d)、Mg-5Al(e)、Mg-8Al(f-g)

综上所述，本文探究了利用MgAl2O4尖晶石型氧化夹杂粉末孕育处理Mg-Al熔体，发现外加MgAl2O4粉末可以实现Mg-Al系合金晶粒细化，同时实现力学性能提升。MgAl2O4与a-Mg错配度较低，具有较高的异质形核a-Mg能力。确定了MgAl2O4孕育细化Mg-Al系合金机制为：MgAl2O4颗粒作为有效的a-Mg晶粒形核基底，诱发异质形核。获得了一种利用MgAl2O4氧化夹杂颗粒孕育细化镁合金的方法，可推动氧化夹杂有益化利用，开发镁合金氧化夹杂孕育细化技术。