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镁科研

镁合金新材料、轻量化等方向均有突破

发布时间：2023-02-14 作者：综合管理部
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陕镁中心成功研制出

分米级高纯单晶镁

近日，西安交通大学陕西省镁基新材料工程研究中心单智伟教授研究团队成功研制出高纯单晶镁，所制备镁单晶体径向尺寸约为40 mm，轴向尺寸可达100 mm以上，晶体纯度达99.99%。该项技术有望为镁相关基础研究和医用植入体等领域提供高质量原材料和技术支撑。

金属材料一般是多晶体结构，即由多个晶粒组成。单个晶粒是多晶体金属材料的基本组成单元。作为一种典型的各向异性材料，镁沿不同晶向表现出明显不同的性能。因此，研究镁沿不同晶向的力学、物理等各项性能，并获得精确、定量的数据，对理解镁的力学和物理性能及内在机制，进而研发高性能镁基材料，具有重要的指导意义。为了实现这一目标，往往需要使用单晶为样品进行相关研究和测试。然而，作为重要战略资源，高纯镁及其单晶制品的进口受到国际市场的严格管控，不但价格昂贵，采购周期也十分漫长（如某品牌99.99%级高纯镁单晶，价格约为1.5万元/克，采购周期约为半年）。此外，随着镁及镁合金在医疗领域的发展与应用，镁的腐蚀性能各向异性也引起了广泛关注。单晶镁内部不含晶界，其腐蚀电位更高，可避免多晶镁沿晶界腐蚀或发生电化学腐蚀等问题。因此，纯镁单晶作为一种理想的可降解植入材料，具有良好的应用前景。

研究团队基于镁及镁合金科学研究等领域对高纯净、大尺寸单晶镁的需求，自主研发了一种新型高纯镁单晶制备方法，旨在解决目前纯镁单晶制备过程中存在的尺寸偏小、纯度较低等问题。该方法基于控制形核长晶的原理，结合定向凝固生长镁单晶。单晶体生长采用高纯原料，制备过程处于氩气保护状态，配合使用熔体过滤装置，有效避免晶体中的粒子掺杂问题。应用该方法，成功制备了分米级高纯净度镁单晶。该项目由单智伟教授和刘博宇教授指导开展，参与研发的主要成员为硕士研究生马欣金，以及博士研究生郑芮、杨博、李峣峰和硕士研究生强珍慧、李玖章等。

这种新型纯镁单晶制备方法工艺简单，通过对普通加热炉进行改进，即可实现分米级大尺寸镁单晶制备，具有良好的推广应用价值。

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图1 纯镁单晶外观形貌及尺寸，右侧为样品顶部、中间和底部位置横截面的金相照片
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图2 纯镁单晶X射线衍射分析
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图3 纯镁单晶背散射电子衍射分析

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面向零碳物流运输的

镁合金轻量化挂车开发

陕西省科学技术厅发布了《关于公布2023年度秦创原“科学家+工程师”队伍入选名单的通知》（陕科办发〔2023〕9号），质子汽车科技有限公司刘博宇、姜伟面向零碳物流运输的镁合金轻量化挂车开发“科学家+工程师”队伍入选。

这次入选的队伍还有:

西安亚欧电气设备集团有限公司陈荣石、王晓敏团队的金属镁智慧化工厂大数据平台“科学家+工程师”队伍，
西安四方超轻材料有限公司宋文杰 、王瑞 的高性能超轻镁锂合金设计与制备关键技术“科学家+工程师”队伍，

镁高镁诺奖（铜川）新材料有限公司徐春杰、屠涛高性能镁合金箔带材精密成形工程化技术开发与产业化应用“科学家+工程师”队伍。

根据《秦创原“科学家+工程师”队伍项目建设方案》，秦创原“科学家+工程师”队伍，是指以高校和科研院所专家人才（科学家）为核心，以企业工程技术人员等（工程师）协作为基础，以企业或高水平创新平台为依托，以攻克产业重大技术难题、促进科技成果转化、孵化科技企业为目的，形成科学家与工程师相对固定合作模式和工作机制的科研（产业）创新团队。

西安交大陕镁中心单智伟教授团队与陕汽集团质子汽车科技有限公司“面向零碳物流运输的镁合金轻量化挂车开发”联合研发团队成功入选陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍建设项目（陕科办发〔2022〕9号）的陕镁中心项目团队包括单智伟教授、权高峰教授、刘博宇教授、刘明副教授、任凌宝助理教授及相关研究生及工程团队人员，其中刘博宇教授与陕汽集团姜伟所长分别担任本项目首席科学家与首席工程师。

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微观调控发展高性能

镁合金材料取得新突破

张景怀教授一直专注于微观控制发展高性能镁合金的研究工作，结合我国稀土资源和镁资源优势，主要集中于高性能镁-稀土-锌系列合金的研发工作。采用适合的稀土RE与非稀土Zn以一定的比例组合作为合金化元素，形成Mg-RE-Zn(RE=Y、Gd、Dy、Ho、Er等)体系，利用半连续铸棒/水冷铸棒、热挤压及固溶/时效热处理技术，通过凝固析出、相转变或脱溶析出等方式控制长周期堆垛有序(LPSO)结构在合金第二相和/或基体中形成，并调控其体积分数、尺寸、弥散程度等以实现对合金的高效强化，制备出多种LPSO结构增强的高性能镁合金。研究表明,LPSO相与普通晶体结构增强相相比具有独特优点，LPSO结构相同时具有高硬度、塑性、弹性模量和热稳定性以及与基体良好的界面结合，因此能够为合金提供优异的综合性能。

对LPSO结构相增强系列合金力学性能进行研究，发现普遍具有以下特点：室温下具有高强韧性，屈服强度和延伸率为320-440MPa和6-15%，300℃高温下屈服强度仍保持在200-250MPa，远高于商用AZ31镁合金(250℃:30MPa)；此外，300-500℃高温下表现出断后延伸率为100-750%的超塑性特征。通过以上研究结合前人报道，建立了LPSO组织的形成准则，实现了LPSO结构在镁合金中的原位形成，解决了常规强化相无法同时提高镁合金强度、耐热性和塑性的难题。

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纳米间距溶质富集堆垛层错增强的稀土镁合金微观结构和性能对比

张景怀教授敏锐地抓住这一研究切入点，开始研究高数密度SESFs在Mg-RE-Zn合金中的形成，基于层错能和合金设计理论，优化合金成分和制备工艺，经过几年的探索尝试，终于在细晶镁合金中形成单纯纳米间距SESFs。该类特殊微观结构镁合金不仅具有高力学性能，300 ℃仍能保持300 MPa高强度，并且耐蚀性优异,腐蚀速率低于1mm/y，比普通镁合金低了一个数量级，且为理想的均匀腐蚀模式。他提出“均匀电位强化组织”科学思想,形成构建“弱阳极纳米层错均匀电位强化组织”设计高强耐蚀镁合金技术路线,发明了高强耐蚀Mg-RE-Zn合金材料,解决常规强化相无法同时大幅提高镁合金强度和耐蚀性的难题。

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