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镁合金挤压成型性及力学性能调控机制研究。通过添加0-0.9wt%Ca至Mg-3Al和Mg-3Zn合金，诱导Al?Ca和Ca?Mg?Zn?第二相，发现Ca对Mg-Al和Mg-Zn系合金的挤出成型性影响显著差异：Al?Ca的高热稳定性和变形相容性使AX系合金保持优异成型性，而Ca?Mg?Zn?的低热稳定性和脆性导致ZX系合金表面开裂。相同Ca含量下ZX系合金强度提升更显著，源于细晶强化、纳米颗粒密布及Zn/Ca共沉淀效应，但粗大第二相聚集导致延伸率先升后降。
李世成|姜倩|冯乐|王珂|李鸿云|王金星|王景峰
国际轻合金联合实验室（教育部），重庆大学材料科学与工程学院，中国重庆400044
摘要
本研究通过向Mg-3Zn和Mg-3Al合金中添加不同比例的Ca（0%、0.3%和0.9%（重量百分比）来诱导两种含Ca的第二相（Al2Ca和Ca2Mg6Zn3）的析出，并进一步进行了对比分析，以研究这些第二相对两种合金系统挤压成形性和力学性能的调控机制。结果表明，向Mg-3Zn合金中添加Ca会导致挤压棒材表面出现大量横向裂纹，从而降低其挤压成形性。高温原位拉伸试验和DSC分析表明，Ca2Mg6Zn3相的内禀脆性和低热稳定性是导致Mg-3Zn-xCa（ZX）合金挤压成形性差的关键因素。而具有高热稳定性和变形兼容性的Al2Ca相则使Mg-3Al-xCa（AX）合金保持了优异的挤压成形性。同时，Ca的添加显著提高了两种合金系统的强度，但伸长率先增加后减少。在相同的Ca含量下，ZX合金的强化效果更为明显，这归因于Ca促进了晶粒细化、Ca2Mg6Zn3纳米颗粒的高密度以及晶界处的Zn/Ca共析现象。伸长率的降低是由于更粗大且聚集的第二相的析出所致。
引言
镁（Mg）合金因其低密度、高比强度和刚度以及良好的阻尼性能，在汽车和轨道交通等多个工业领域展现出巨大潜力[1]、[2]、[3]。然而，目前镁合金结构部件的工程应用主要局限于铸件，而具有优异整体力学性能的挤压镁合金的应用仍然有限[4]。较差的挤压成形性是其主要限制因素[5]。
例如，商业化的Mg-Al和Mg-Zn合金（如AZ80、AZ91和ZK60）的最大挤压速度限制在6 m/min以下[4]。相比之下，广泛使用的6xxx系列铝合金可以达到60 m/min的挤压速度，从而获得优异的挤压产品表面质量[6]。这一限制使得镁合金的挤压成本比铝合金高出三倍以上[4]。因此，设计具有优异挤压成形性的镁合金对于扩展其应用范围至关重要。
钙（Ca）作为一种成本效益高且环保的碱土金属元素，具有较高的生长限制因子（GRF = 11.94）[7]，已被广泛应用于新型镁合金的开发[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。在Mg-Al和Mg-Zn系列合金中，适量的Ca添加不仅能够诱导第二相的析出并促进晶粒细化从而增强强度，还能改善组织结构并提高延展性[10]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。例如，姜等人[9]报道，Mg-2.32Al-1.7Ca合金表现出优异的力学性能，其极限抗拉强度（UTS）为324 MPa，屈服强度（YS）为275 MPa，伸长率（EL）为10.2%，这归因于细化晶粒和高密度Al2Ca沉淀物的协同作用。康等人[18]发现，在Mg-2Zn-xCa（x = 0%、0.2%、0.5%（重量百分比）合金中，随着Ca含量的增加，含Ca沉淀物的数量也随之增加，导致晶粒持续细化和力学性能逐渐提高。
值得注意的是，Ca的添加不仅改变了Mg-Al和Mg-Zn合金中的元素分布和第二相组成，还显著影响了它们的挤压成形性[4]、[5]、[19]。Chino等人[20]发现，Ca的添加改善了Mg-Zn合金的室温延展性和拉伸成形性，但对Mg-Al合金影响不大。姜等人[5]报道，高Ca含量的Mg-3Zn-2Ca合金在仅1 m/min的挤压速度下表面会出现大量裂纹。然而，引入Al元素后这些裂纹逐渐消失，挤压成形性显著提高，这归因于第二相热稳定性的增强。Kim等人[19]发现，在高合金化的Mg-Al系列合金（Mg-9Al-0.8Zn）中添加Ca和混合稀土元素可以显著提高合金的挤压效率，主要得益于抑制了Mg-Al相的析出并形成了大量热稳定的第二相。
然而，大多数现有研究仅单独分析了Ca对单一系统（Mg-Al或Mg-Zn）力学性能或成形性的影响，缺乏两者之间的对比研究[4]、[21]、[22]、[23]。同时，关于Ca在两种合金系统中引起的力学性能和挤压成形性差异的内在机制的研究仍然有限，特别是含Ca沉淀物对挤压成形性和力学性能的调控机制尚不清楚[4]、[5]、[20]。
因此，在本研究中，分别向Mg-3Al和Mg-3Zn合金中添加了0%、0.3%和0.9%（重量百分比）的Ca，系统地研究了含Ca第二相（Al2Ca和Ca2Mg6Zn3）对两种合金挤压成形性和力学性能的调控机制。研究结果为设计含有含Ca第二相的高性能、高挤压成形性镁合金提供了参考。
材料与实验方法
所研究的合金是通过向Mg-3Al（重量百分比）和Mg-3Zn（重量百分比）体系中添加不同比例的Ca（0%、0.3%和0.9%（重量百分比）来制备的。纯Mg（99.97%重量百分比）、纯Al（99.97%重量百分比）、纯Zn（99.97%重量百分比）以及含20%重量百分比Ca的母合金被放置在电阻炉内的坩埚中，在CO2和SF6保护气体混合气氛围下，温度为750 °C。合金的成分通过X射线荧光光谱仪（XRF，RL Perform'X）进行分析，结果如下
挤压棒材的表面质量与挤压成形性
在挤压过程中，挤压棒材的表面质量是评估不同镁合金挤压成形性的重要因素[5]、[24]。图2展示了AX和ZX合金挤压棒材的表面质量图像。Mg-3Al、AX30、AX31和Mg-3Zn合金的挤压棒材表面光滑且有光泽，表明其挤压成形性良好。然而，在添加了Ca的ZX30合金中，挤压棒材表面变得粗糙
挤压成形性分析
Ca的添加对Mg-3Al和Mg-3Zn合金的挤压成形性产生了显著影响。AX系列合金始终保持优异的挤压成形性，而即使添加少量的Ca（0.34%（重量百分比）也会显著损害Mg-3Zn合金的挤压成形性，如图2e所示。为阐明Ca添加如何损害Mg-3Zn合金的挤压成形性，选择了变形最严重的ZX31合金进行进一步研究
结论
本研究通过向Mg-3Zn和Mg-3Al合金中添加不同比例的Ca（0%、0.3%和0.9%（重量百分比）来诱导两种含Ca的第二相（Al2Ca和Ca2Mg6Zn3）的析出，并进行了对比分析，以研究这些第二相对两种合金系统挤压成形性和力学性能的调控机制。主要结论如下：
- (1)
Ca的添加显著调控了Mg-3Al和Mg-3Zn合金的微观结构和第二相组成。在AX合金中，Al
作者贡献声明
姜倩：撰写——初稿撰写、数据整理。王珂：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。冯乐：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。李世成：撰写——初稿撰写、数据分析。王金星：数据整理、资金申请。李鸿云：数据分析。王景峰：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金申请。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFB3408900）、新疆科技厅科技计划（项目编号：2025AA006）、重庆市技术创新与应用发展专项（CSTB2025TIAD-KPX0059）以及国家自然科学基金（项目编号：52404390）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作
