《Journal of Alloys and Compounds》：Underwater friction stir processing enables synergistic regulation of the mechanical properties and electromagnetic interference shielding performance in Mg98.5Zn0.5Y alloy
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镁合金电磁屏蔽性能优化研究：水下摩擦搅拌加工技术有效提升Mg98.5Zn0.5Y合金的力学性能和电磁屏蔽效能，晶粒细化至6.2μm，14H LPSO相体积分数增加16.4%，屈服强度和抗拉强度分别提升212.6%和158.3%，30-4500MHz频段屏蔽效能稳定在95.6-109.9dB。
卢文杰|董家亮|冯忠学|张光宇|邵睿|王月怡|谭军|陈先华|易建红
昆明理工大学材料科学与工程学院，中国昆明650093
摘要
具有LPSO结构的镁合金表现出优异的电磁干扰（EMI）屏蔽性能。结合其低密度、高比强度和环保特性，这些材料在EMI屏蔽应用中具有巨大潜力。然而，其较差的机械性能限制了实际应用。摩擦搅拌加工（FSP）是一种创新的固态技术，它可以避免传统加工中常见的氧化问题，并细化晶粒结构以提升整体性能。然而，FSP涉及较高的热量输入，这会导致晶粒粗化以及热不稳定的14H LPSO相的形成。因此，微观结构变得不均匀，所需的性能提升也会受到影响。为了解决这个问题，本研究采用了水下摩擦搅拌加工（UFSP）。通过水冷，UFSP有效抑制了热量积累并降低了峰值温度。成功制备了Mg98.5Zn0.5Y合金，其屈服强度（YS）达到216.4 MPa，抗拉强度（UTS）达到291.4 MPa，伸长率（EI）为22.8%，EMI屏蔽效能（SE）为109.9–95.6 dB。实验结果表明，UFSP将平均晶粒尺寸从30.4 μm细化到6.2 μm，并使14H LPSO相的体积分数增加了16.4%。这些微观结构的改善使得YS提高了212.6%，UTS提高了158.3%。同时，EMI屏蔽效能在30–4500 MHz频率范围内保持在109.9–95.6 dB的高水平且稳定。研究表明，UFSP能够有效克服FSP的热限制，实现机械性能和电磁屏蔽性能的同时提升，为开发高性能镁合金提供了新的途径。
引言
自21世纪以来，通信基站的快速建设和电子设备及通信工具的广泛使用导致电磁波排放量显著增加。近年来，电磁波对电子设备功能和人类健康的负面影响日益明显，推动了电磁干扰（EMI）屏蔽研究的加强[1]、[2]、[3]、[4]。目前，解决电磁干扰最直接的方法是使用EMI屏蔽材料；然而，传统EMI屏蔽材料的固有限制阻碍了其在精密设备中的应用[5]、[6]、[7]、[8]。因此，迫切需要开发新型EMI屏蔽材料。
基于镁的合金因具有低密度、高比强度、优异的加工性能、成本效益和出色的EMI屏蔽性能而在EMI屏蔽材料领域受到广泛关注[9]、[10]。Mg-Zn-Y合金由于基体中存在独特的长周期堆垛有序（LPSO）相而表现出优异的EMI屏蔽性能[11]。然而，基体中形成的LPSO相类型取决于Zn/Y比例。最常见的LPSO相包括6H、14H和18R结构[12]。与其他两种LPSO相相比，14H LPSO相在EMI屏蔽性能上的提升最为显著。根据研究[13]、[14]，Mg98.5Zn0.5Y合金的基体中主要包含14H LPSO相，使其成为一种很有前景的新型EMI屏蔽材料。
尽管基于镁的合金具有优异的EMI屏蔽性能，但其不足的机械强度限制了其在许多领域的应用。因此，需要通过二次加工来改善其机械性能。然而，传统的二次加工技术（如轧制）通常在提高强度的同时会降低其他关键性能。据Xu等人[15]的研究，Mg-6Zn-1Y-1La-0.5Zr样品的轧制使其YS提高了19.5%，UTS提高了12.9%，但EI降低了24%。同样，Gao等人[16]报告称，对轧制的Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金进行时效处理后，YS和UTS提高了超过100 MPa，而EI降低了约50%。
为了实现镁合金机械性能的更平衡和同步提升，需要一种能够克服上述限制的二次加工技术。最近的研究表明，FSP可以有效细化晶粒，并将18R LPSO相转化为14H LPSO相，从而协同提升材料的YS、UTS、EI和EMI屏蔽性能[17]、[18]。Wang等人[19]证明，FSP可将MgZn6YZr0.5合金的YS从88.6 MPa提高到171.0 MPa，UTS从196.0 MPa提高到299.9 MPa，EI从10.9%提高到27.4%。Zhang等人[13]报告称，FSP可将铸造态Mg98.5Zn0.5Y合金的晶粒从毫米级细化到微米级，从而在高频范围内同时优化了机械性能和EMI屏蔽性能。尽管FSP已经显著改善了材料性能，但仍需进一步研究以开发更优秀的EMI屏蔽材料。
根据其他研究人员关于优化FSP工艺的研究[20]、[21]、[22]，降低加工区的峰值温度可以进一步增强FSP的晶粒细化效果。与其他优化方法相比，水下摩擦搅拌加工（UFSP）因其操作复杂性低、成本效益高和环保性而脱颖而出。He等人[23]证明，与传统的FSP相比，UFSP处理的Al-Zn-Mg合金具有更细的晶粒和更好的机械性能。Li等人[24]报告称，UFSP产生的加工缺陷较少，对材料的热机械影响也较小。
迄今为止，大多数研究集中在通过改变UFSP工艺参数来调整材料的微观结构对机械性能的影响。相比之下，关于不同UFSP工艺参数对材料EMI屏蔽性能影响的研究仍较为有限。因此，在本研究中，通过改变工艺参数成功制备了具有优异机械性能和EMI屏蔽性能的Mg98.5Zn0.5Y合金，并系统研究了不同加工条件下的微观结构、机械性能和EMI屏蔽性能。对工艺参数对这些性能的影响进行了全面评估，为未来新型EMI屏蔽材料的发展提供了宝贵见解。
实验程序
实验材料包括镁锭、锌锭和镁钇母合金。熔体成分按照Mg98.5Zn0.5Y的名义比例设计。熔化过程中向炉内通入氩气以防止氧化。原材料完全熔化后，将熔融合金在700°C下保持30分钟，并在此期间手动去除表面浮渣。随后以80–100
挤压态的微观结构
图2显示了挤压态Mg98.5Zn0.5Y合金的微观结构。如图2(a)所示，Mg98.5Zn0.5Y合金的基体相对致密，没有明显的缺陷。如先前研究[13]所述，Mg98.5Zn0.5Y合金主要由α-Mg基体和LPSO相组成。图2(b)显示，LPSO相主要由块状18R型和层状14H型LPSO结构组成。层状14H LPSO相对
细晶强化
图9展示了所有样品组的逆质量（IQ）图（a–d）和晶粒取向分布（GOS）图（e–h）。在本研究中，GOS < 2的晶粒定义为再结晶（DRXed），而GOS > 2的晶粒被认为是未再结晶（unDRXed）[28]。如图9(e–h)所示，即使经过UFSP处理后，仍有一部分晶粒保持未再结晶状态。
根据现有研究，镁合金中的动态再结晶（DRX）可以分为五种机制
结论
通过改变加工参数，采用UFSP制备了Mg98.5Zn0.5Y合金。系统研究了晶粒尺寸、LPSO相、电磁参数和织构对合金机械性能和EMI屏蔽性能的影响，得出以下结论：
1.UFSP有效破碎并细化了晶粒，晶粒尺寸分别从30.4 μm细化到8.7 μm、6.3 μm和6.2 μm。随着焊接速度的增加，材料
作者贡献声明
卢文杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据整理。王月怡：方法学，数据整理。谭军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法学，资金获取。陈先华：方法学，概念化。易建红：撰写 – 审稿与编辑。董家亮：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据整理。冯忠学：撰写 – 审稿与编辑，
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所述的工作。
致谢
本工作得到了先进材料-国家重点科技项目（项目编号2025ZD0619700）、四川省科技计划（编号2023YFG0218）、贵州省教育厅开放招聘和领导力科技攻关项目（贵州教育科技[2024]编号003）以及贵州省基础研究计划（自然科学）（编号QKHJC[2024]Youth 214）的支持。
