《Journal of Alloys and Compounds》：Precipitation-tuned Architecting of Lamellar Heterostructure in AZ91/RGOs Composites via Two-step Milling
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通过两步球磨工艺制备GO/AZ91镁合金复合材料，形成层状双模显微结构。GO优先沉积于严重变形粉末，烧结时生成RGO和MgO，引发Al和Mg元素梯度分布，促进β-Al12Mg17析出，抑制晶粒生长。挤压后获得层状异质结构，使强度（提升）与延展性（提高）实现协同优化。
Jingpeng Xiong|Yudong Zhang|Jean-Sébastien Lecomte|Christophe Schuman|Shun Xu|Jian Wang|Yong Liu
江西工业大学轻合金重点实验室，南昌市330031，中国
摘要
在金属材料中制造异质微观结构作为一种克服传统强度-延展性权衡的策略，已经引起了极大的兴趣。在本研究中，通过烧结含有不同变形程度的GO/AZ91粉末混合物，并通过专门设计的两步研磨工艺引入非均匀分布的GOs，制备出了具有层状双峰晶粒微观结构的石墨烯氧化物（GO）/AZ91复合材料。在加工过程中，GOs优先附着在严重变形的AZ91粉末上，并在烧结过程中发生反应，形成还原氧化石墨烯（RGO）和MgO。由此产生的局部Mg耗尽和Al富集促进了β-Al12Mg17颗粒的沉淀，这些颗粒的钉扎效应抑制了晶粒生长。由于这些沉淀物的非均匀分布，形成了由富含密集沉淀物的细晶区域和含有稀疏沉淀物的粗晶区域组成的双峰微观结构。随后的挤压使这些微观结构成分排列成层状结构，从而提高了强度-延展性平衡，表现为屈服强度的增加和显著的延伸率。这项工作为设计实现优异强度和延展性组合的异质微观结构提供了宝贵的见解。
引言
由于其低密度，镁合金成为汽车、航空航天和电子工业等广泛工程应用中很有前景的结构材料，因为它们能够有效节省能源并提高效率[1]、[2]、[3]。然而，它们的广泛应用常常受到固有缺陷的阻碍，即与传统的铝合金或钢材等成熟结构材料相比，镁合金的弹性模量相对较低，绝对强度也较低[4]。为了解决这一缺陷，最常见的有效强化策略之一是将增强材料掺入镁基体中[5]、[6]、[7]。特别是纳米级增强材料（如石墨烯、SiC、TiC）展示了显著的载荷传递和Orowan强化效应，显著提高了屈服强度和抗拉强度[8]。
然而，这些改进通常伴随着延展性的严重损失，这主要是由于镁基体的固有局限性，包括有限的滑移系、强烈的基面纹理和高界面应力敏感性[9]。这些因素阻碍了位错的运动，使得应变局部化成为必然，尤其是在高合金化的镁系统中，溶质拖拽和次级相硬化进一步抑制了塑性变形[10]。此外，增强材料-基体界面处的高应力集中促进了裂纹的过早产生，导致灾难性失效[11]。因此，在增强镁合金中实现强度和延展性的良好平衡仍然是一个紧迫的问题。
创建异质结构已成为克服金属长期存在的强度-延展性权衡的有效策略[12]。与传统的均匀结构不同，异质结构引入了晶粒尺寸、相或增强材料分布的受控变化[13]。这种结构，包括层状或层压、双峰和梯度结构，在镁[14]、铝[15]、钛[16]和铜合金[17]中得到了广泛研究。这种协同改进的原理在于具有截然不同机械性能的域之间的协同变形（例如，软区和硬区）。这种相互作用在它们的界面产生了应变梯度和几何上必需的位错（GNDs），从而实现了额外的加工硬化，并促进了异质变形诱导（HDI）强化[18]。
基于这些异质结构设计的进展，越来越多的关注集中在用纳米级碳材料（如石墨烯纳米片（GNPs）和石墨烯氧化物（GO）增强的镁基体复合材料上[19]。人们投入了大量努力来调整这些系统中的双峰或梯度微观结构，以平衡与第二相强化相关的强度-延展性权衡。这些方法依赖于（i）通过内在的晶粒细化效应调整增强材料含量来影响粗晶与细晶的比例[20]、[21]，或（ii）修改全局加工参数（如重熔时间[22]或挤压速度[23]）来均匀改变晶粒尺寸。尽管取得了这些有希望的结果，但对异质结构材料的研究主要集中在加工路线和所得到的机械性能上。在粉末冶金处理的镁基体复合材料的背景下，传统的一步球磨通常旨在实现均匀的变形状态和均匀的增强材料分布[24]。这种均匀化虽然有助于避免团聚，但限制了有意引入可以后来发展成明确定义的异质晶粒结构的差异化微观前驱体的可能性。此外，在大多数情况下，一旦成功制备出异质结构，研究工作立即转向机械性能评估。因此，关于加工过程中这些关键异质结构形成的基本机制仍然了解不足。这种微观结构演变的知识空白在材料设计和工艺优化方面引入了一定程度的不确定性，最终阻碍了下一代异质结构材料的合理和高效开发。
在这里，我们开发了一种非常规的两步球磨策略，在GO增强的AZ91复合材料中构建了层状异质微观结构。通过顺序调节研磨能量和GO的分布，创建了具有空间上不同储存能量和增强材料浓度的前驱体粉末。这种设计在随后的烧结和热挤压过程中诱导了差异化的再结晶行为和沉淀物的异质分布。GO与镁基体之间的原位反应生成了MgO并促进了β-Al12Mg17的沉淀，这一反应被有效地利用作为微观结构调控的关键机制。这项工作展示了一种稳健且可扩展的途径，用于调整镁基体复合材料的微观异质性。所提出的方法不仅为设计高性能复合材料提供了一种实用的粉末冶金途径，还为轻质结构材料的化学驱动微观结构设计提供了新的见解。
部分摘录
AZ91/RGO复合材料的制备
使用雾化AZ91合金粉末（名义成分：Mg-9Al-1Zn-0.3Mn；平均直径约20 μm）作为基体。二维皱褶的GO片（O含量：28.6%）作为增强材料。
如图1所示，设计了一种受控的两步球磨工艺来制备具有异质微观结构的前驱体AZ91/GO复合粉末。首先在充满氩气的球磨机（ND8-4L）中混合球形AZ91粉末和纳米级GO片。然后以240
球磨粉末的微观结构
图3显示了初始粉末和经过两步球磨后的粉末形态。原始的AZ91粉末颗粒是球形的（图3a）。在第一步高速球磨后（AZ91粉末69.5克和GOs 0.5克），粉末颗粒变得扁平（图3b）。片状的GOs（如图3b插图中的红色箭头所示）均匀分布在变形的颗粒表面上。然后加入30克初始AZ91粉末，混合物
GO诱导的β-Al12Mg17沉淀机制
上述结果明确表明，GOs不仅作为增强剂形成复合材料，还具有促进β-Al12Mg17沉淀的能力，从而形成异质的双峰晶粒微观结构。尽管GOs已被广泛用于生产金属基体复合材料[38]、[39]、[40]、[41]（尤其是镁合金），但文献中尚未很好地解释了后一种功能的机制。
结论
本研究建立了一种新的加工路线，包括两步球磨，随后进行烧结和挤压，以制备层状、双峰晶粒的AZ91复合材料，该复合材料由GO增强。关键的微观结构形成机制总结如下：
(1)两步球磨能够产生具有两种不同变形状态的粉末颗粒，并使GOs优先附着在严重变形的颗粒上，为构建异质结构提供了微观前驱体
CRediT作者贡献声明
Jian Wang：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。Shun Xu：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Yong Liu：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。Yudong Zhang：撰写 – 审稿与编辑，方法论，概念化。Jingpeng Xiong：撰写 – 原稿撰写，可视化，方法论，研究，数据管理。Christophe Schuman：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。Jean-Sébastien Lecomte：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（52571141）、中国国家重点研发计划（编号2021YFB3501001、2022YFC2905204）、江西省重点研发工程应用（编号20243BDD40002）、江西省重点研发计划（编号20243BBG71024、20223BBE51021）、江西省轻合金重点实验室（2024SSY05031）以及江西省“****”的财政支持
