航空航天装备减重、新能源汽车车身与底盘轻量化是当前先进制造领域的核心发展方向。镁合金是工程应用中密度最低的金属结构材料，具备高比强度、高比刚度、优异阻尼减振性能、良好电磁屏蔽特性，同时易于切削加工、材料可回收，在轻量化构件领域拥有不可替代的应用潜力。但传统铸造镁合金存在难以回避的性能短板，室温屈服强度普遍低于300 MPa，高温条件下晶粒容易长大，组织稳定性差，很难作为关键承力结构件使用，这极大限制了镁合金在高端装备上的大规模落地。如何在保留镁合金轻量化优势的前提下，大幅提升其力学性能，成为材料领域的研究热点。

采用快速凝固‑粉末冶金（RS/PM）技术，以氩气超音速气雾化制备的Mg₉₄Zn₂Y₄合金粉末为原料，打通“气雾化制粉‑温压烧结‑热挤压变形”完整制备流程，成功制备出抗拉强度超过500 MPa的Mg‑Zn‑Y稀土镁挤压棒材。该工作系统探究粉末粒度、温压压强、热挤压温度对微观组织与力学性能的耦合影响，厘清工艺‑组织‑性能之间的内在联系，揭示细晶、LPSO弥散相与界面协同的强韧化机理，为高强稀土镁合金的开发与工艺优化提供完整的实验依据，也为镁合金突破传统铸造的性能天花板提供可行路径。

研究背景

Mg‑Zn‑Y系稀土镁合金是高性能镁合金体系中极具发展潜力的一类合金，其最核心的特色就是能够生成18R型长周期堆垛有序结构（LPSO）强化相。18R‑LPSO相拥有高硬度、良好热稳定性，变形过程中可以产生独特的扭折带，既能阻碍位错运动实现强化，又可以通过扭折协调塑性变形，有望兼顾高强度与一定塑性，是实现镁合金强韧化的核心载体。

在传统铸造工艺条件下，冷却速率慢，熔体凝固过程中溶质原子充分扩散，LPSO相往往形成粗大连续的网状组织。粗大第二相容易引发应力集中，不仅强化效果有限，还会增大材料脆性。快速凝固技术的冷却速率可达(10^4sim10^9 text{K/s})，极高的过冷度可以抑制溶质扩散，实现合金元素的超固溶，同时细化晶粒，让LPSO相以细小、弥散的形态析出，从根源上规避铸造带来的晶粒粗大、成分偏析等缺陷。

目前国内外对于Mg‑Zn‑Y合金的研究大多聚焦于合金成分设计，通过调整Zn/Y配比来调控LPSO相的种类与体积分数。但对于RS‑PM全流程工艺的系统性研究仍然不足：气雾化粉末本身的颗粒形貌、晶粒尺寸会直接决定后续成形质量；镁合金属于密排六方晶体，室温滑移系少，粉末压制成坯本身就存在很大难度；后续热挤压温度又会同时影响晶粒演化、第二相破碎粗化、粉末界面焊合状态。多个工艺变量相互耦合，单独优化某一个参数很难得到综合性能优异的块体材料。

本研究依据Mg‑Zn‑Y三元300 ℃富镁角平衡相图，选取Y/Zn摩尔比等于2的(ce{Mg_{94}Zn_{2}Y_{4}})合金成分，该成分稳定落在α‑Mg基体与X‑Mg₁₂ZnY（18R‑LPSO相）两相区，保证强化相可以稳定析出，在此基础上完成全流程工艺探索。

全流程工艺关键发现

气雾化粉末：粒径决定原料基础质量

研究通过紧耦合超音速氩气雾化制备合金粉末，并筛分得到四组不同粒径区间的粉末。实验发现，粉末粒径对颗粒形貌、内部显微组织起到决定性作用。大粒径熔滴在雾化飞行过程中散热慢，半固态维持时间长，颗粒之间碰撞更容易产生卫星球、表面毛刺、内部收缩孔洞等缺陷；而粒径小于48 μm的细小熔滴冷却速率快，快速完成凝固，颗粒球形度高，表面光洁，缺陷占比大幅降低。

物相检测表明，气雾化粉末由α‑Mg基体和晶界网状分布的18R型LPSO相（X‑Mg₁₂ZnY）构成，无多余杂相。粉末粒径越小，内部原始晶粒越细小；快速凝固带来“溶质截留”效应，Zn、Y稀土元素固溶进α‑Mg基体，形成过饱和固溶体，晶界位置富集溶质原子形成离异共晶网状LPSO组织。

借助差示扫描量热测试确定粉末热稳定区间：该合金粉末在540 ℃以下物相保持稳定，LPSO相不会发生分解熔化，这个温度边界为后续温压烧结、热挤压工艺划定安全窗口，避免高温造成强化相溶解失效。综合粉末形貌、晶粒尺寸、后续热加工适配性，粒径＜48 μm的细粉末被确定为制备超高强镁合金的优选原料。

温压烧结：破解镁粉冷压成型开裂难题

镁合金密排六方晶体结构，室温下仅基面滑移系容易开动，塑性变形能力很差。实验对比室温冷压与温压工艺的成形效果：即便施加600 MPa高压进行室温冷压，得到的坯料布满横向贯穿裂纹，脱模后直接碎裂，完全无法用于后续热挤压加工。

采用300 ℃、600 MPa温压保压30 min的工艺，既可以激活镁合金的柱面、锥面非基面滑移，显著提升粉末颗粒的塑性变形能力；同时加工温度低于540 ℃相变临界温度，可以完整保留快速凝固带来的细晶组织与过饱和固溶状态，不会出现晶粒粗化、LPSO相分解。在该工艺条件下，温压坯的相对密度达到91.5%，抗压强度超过350 MPa。

需要注意，温压烧结只能实现粉末颗粒之间的机械咬合和局部界面冶金焊合，坯体内部依旧存在少量残余孔隙，还保留部分原始粉末颗粒边界，仅依靠温压无法获得完全致密的高性能块体，必须依托后续热挤压的大塑性变形，破碎原始界面、消除孔隙，实现整体完全冶金结合。实验同时表明，温压压强提升，坯体致密度上升，挤压成品强度随之提高，但会带来塑性的小幅牺牲，存在强塑性权衡关系。

热挤压：温度‑粉末粒径耦合调控强塑性

实验固定挤压比为9、挤压速率0.5 mm/s，设置330 ℃、360 ℃、390 ℃三组挤压温度，探究温度与粉末粒径的耦合作用，得到两套面向不同应用场景的性能方案。

低温330 ℃挤压条件下，合金变形以动态回复为主，动态再结晶程度有限。原始网状LPSO相在三向压应力与剪切应力耦合作用下发生破碎，转变为亚微米尺度针条状颗粒，沿挤压方向弥散分布，细晶强化效应充分发挥。使用＜48 μm细粉末制备的挤压棒，屈服强度可达486 MPa，抗拉强度超过500 MPa，但断后伸长率仅1.7%，材料强度极高但塑性偏低。

当挤压温度提升至390 ℃，原子扩散能力显著增强，动态再结晶进行得更加充分。但高温也带来晶粒长大、LPSO第二相粗化，细晶强化效果被削弱，合金强度有所下降；不过高温极大促进粉末界面的冶金焊合，大量界面薄弱位置被消除，裂纹萌生源头减少，塑性得到大幅改善。该条件下合金抗拉强度维持在400 MPa级别，断后伸长率可以达到4%‑7%，实现较好的强塑性匹配。

另外，粉末粒径对性能的影响会随挤压温度发生变化：细粉末制备的合金强度更高，但细粉末比表面积大，表面氧化膜占比更高，挤压破碎后的氧化颗粒容易成为微裂纹源，造成塑性损失。挤压温度越高，动态再结晶越充分，晶粒差异被抹平，不同粒径粉末制备样品之间的性能差距会明显缩小。

合金协同强韧化机理

RS‑PM制备的Mg‑Zn‑Y高强镁合金，并不是依靠单一强化机制，而是细晶强化、LPSO弥散强化、界面强化三者协同发挥作用。

1. 细晶强化

气雾化快速凝固得到细晶粒粉末，热挤压过程动态再结晶进一步细化晶粒，形成亚微米级晶粒组织。依据Hall‑Petch效应，大量晶界有效阻碍位错的滑移与扩展，是合金屈服强度大幅提升的基础。

2. LPSO弥散强化

原始网状LPSO相经挤压破碎，形成亚微米针条状弥散颗粒，钉扎晶界与位错；同时18R‑LPSO相特有的扭折变形机制可以协调局部塑性，缓解硬脆第二相带来的脆性风险，兼顾强化与一定塑性。

3. 界面强化

热挤压大变形破碎粉末表面原生氧化膜，氧化膜转变为弥散纳米颗粒，通过奥罗万机制钉扎位错；同时消除坯料内部孔隙，粉末颗粒之间实现完全冶金结合，改善粉末冶金材料普遍存在的界面薄弱缺陷。

工程价值与现存挑战

这套工艺可以根据构件实际服役条件灵活选型：追求超高承载能力，可选用＜48 μm细粉末搭配330 ℃低温挤压；构件需要承受冲击，对塑性有一定要求，则选用390 ℃高温挤压，获得强塑性均衡的材料。

同时该研究体系仍存在不少需要进一步攻克的现实问题。细粉末比表面积大，表面氧化不可避免，破碎后的氧化颗粒容易成为裂纹萌生点，制约合金塑性进一步提升；超音速气雾化细粉末制备成本偏高，整套粉末冶金流程工序长，距离大批量工业化生产还有一定距离；本研究重点聚焦室温静态拉伸压缩性能，缺少疲劳性能、腐蚀性能、长期热循环稳定性等贴近实际服役工况的系统评价。

从行业发展角度看，该研究没有依赖高含量稀土合金化，而是依靠全流程工艺调控实现组织优化，把Mg‑Zn‑Y合金抗拉性能提升到500 MPa级别。完整建立了从雾化粉末、温压烧结到热挤压变形的“工艺‑微观组织‑力学性能”对应关系，对航空航天结构件、新能源汽车轻量化承力镁合金构件的研发，以及同类粉末冶金稀土镁合金的工艺开发，都具备重要的参考价值。未来如果能够进一步优化制粉与成形工艺，降低氧化、控制成本，RS‑PM高强镁合金有望在高端轻量化装备领域实现更多实际应用。

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